电磁发射催泪武器结构设计及发射单元的发射仿真分析

鲁月

（武警警官学院，成都 651205）

电磁发射催泪武器结构设计及发射单元的发射仿真分析

鲁月

（武警警官学院，成都 651205）

该武器系统是以电磁发射技术为基础，结合“金属风暴”武器系统模型，提出的一种快速发射催泪弹药的新概念武器构想，将打破依靠火药发射非致命弹药的传统局限，为非致命武器研究拓展了研究方向和思路。以催泪武器发射效率高低为判断标准，通过对武器系统发射单元发射过程仿真的改进，得出了电枢壁厚度、驱动线圈匝数、触发深度、电容容值、电压值影响武器系统电枢发射的关系曲线，参照发射效率高低和初速大小确立合理的系统结构参数。以这套参数为标准搭建了试验平台，进行了模拟催泪弹的单发和连续发射试验，较好地验证了催泪武器系统理论设计的合理性及仿真结果的正确性。

非致命武器，电磁发射，动态仿真，有限元分析

0 引言

通过对电磁发射式催泪武器系统的进一步深入研究，发现前期［1］提出的武器系统结构在可行性上存在较大难度，为了使武器系统更能贴近实战化要求，依据催泪武器系统［1］的功能需求，结合“金属风暴”［2］武器结构特点，设计出系统更为合理的整体模型，并完善了武器系统仿真分析。

1 催泪武器系统的整体结构

电磁发射式催泪武器系统由16个发射管组成，整体成4×4的集束结构。其中每个发射管都可组成单个独立的小型发射机构，独立使用时适用于单兵携带或小型步兵战车等环境，也可多管配合组成大型驱散装备。为了突出武器系统强大的作战效能，可将4个发射管归为一个发射模块，既有单管机动灵活的特点又具备较强的火力，各发射模块还可自由拼装组成8管、12管或16管的发射状态，继续强化打击或防御能力。

1.1 充能模块

充能模块是武器系统的动力源泉，由各发射管的充能机构组成，负责为武器发射模块重复提供可靠的脉冲电流，确保驱动线圈与催泪弹电枢的磁耦合作用。各发射管的充能机构包括初级电源、恒流充电电源和高压脉冲功率电源3部分。

1.2 发射模块

发射模块是武器系统的核心部件，主要由各发射管中单级感应发射单元的催泪弹电枢、驱动线圈和飞行导轨组成，负责完成催泪弹电枢的发射。

1.3 主控电路

主控制电路是武器系统的中枢，管理整个武器系统的工作流程，主要通过人机操作界面控制电源模块的充放电过程以及各发射管中发射模块的工作程序，既可以实现单个发射管逐个发射，也可多个发射管齐发射。

1.4 发射平台

武器系统由于结构较为复杂，各功能机构的组成部件较多，使得整体体积较大，不便于单兵携带和使用，因此，需要一个车载式的发射平台，发射平台为武器系统提供稳定可靠的发射环境，适应多种任务需求。

该武器系统的结构庞大，现阶段主要设计一个单管的发射机构代表武器系统的功能和作用效果。

单个发射管的结构包括4部分，依次为充能机构、发射机构、控制电路和发射平台，如图2所示。初级电源、恒流充电电源和高压脉冲功率电源共同组成发射管的充能机构，恒流充电电源通过高频恒流给高压功率脉冲电源充电，通过主控制系统调节向发射机构中的驱动线圈供电。发射机构由五组发射单元组成，图3所示为单个发射管的内部结构示意图。

2 发射单元的发射仿真分析

结合前期工作所得［4-6］，建立如图4所示几何模型，模型参数如下页表1所示。棕色物体代表电枢，朱红色物体代表驱动线圈，灰色线框表示电枢的运动区域，黄色线框表示该模型的求解区域。图右侧为模型的放大图样，此处的电枢质量包括铝制电枢、点火机构及装药总重量。

按照ansoft仿真软件的方法步骤［7-8］，对单级感应线圈发射单元的参数进行仿真，计算出口速度随各种影响参数变化的变化曲线。

2.1 催泪弹弹壁厚度对发射单元的影响

催泪弹发射过程中的感应涡流分布在弹体的外表层且集中于后部，且弹体壁厚度不同，感应电流的分布就会有差异，进而影响感应电流与驱动线圈磁场的耦合作用，改变催泪弹的运动速度，设弹体外径为37 mm，初始中心距为20 mm，脉冲电源电压为3 000 V，电容为1 500 μF，分别对5种不同壁厚Armature_H=1 mm、1.5 mm、2 mm、2.5 mm、3 mm的弹体进行仿真分析，仿真结果如图5所示，当催泪弹飞离管口后，脱离测速器监控范围，测速器显示速度变为零。

2.2 驱动线圈匝数对发射单元的影响

设定其余初始条件不变，初始中心距为20 mm，脉冲电源电压为3 500 V，电容为1 500 μF，设定驱动线圈匝数分别为10、40、70、90、100、130、150的情况下进行了电磁仿真，得到的结果如图6所示。

2.3 催泪弹触发深度对催泪弹出口速度的影响

触发深度是指催泪弹距离驱动线圈中心面的距离。距离不同所产生的电磁力也有非常大的变化。设定驱动线圈长度为50 mm，催泪弹铝制外壳长50mm，脉冲电源电压为3500V，电容为1500 μF，线圈匝数为90，触发深度分别设为0mm、10mm、20mm、30 mm、40 mm、50 mm进行动态仿真，得到的结果如下页图7所示。

为了使结果更精确，作了2次划分，将20 mm～40 mm分为两部分，第1组为20 mm～30 mm，将触发深度划分为20 mm、22 mm、24 mm、26 mm、28 mm、30 mm，得出的催泪弹的速度曲线如图8所示。第2组为30 mm～40 mm，将触发深度划分为30 mm、32 mm、34 mm、36 mm、38 mm、40 mm，得到的催泪弹速度曲线如下页图9所示。由图9对比得到：当触发深度为36 mm时的速度最大，达到了88 m/s，此时的发射效率最高达到了4.21%。

2.4 电容容值对催泪弹出口速度的影响

电容器在不同电容值放电时影响催泪弹电枢发射效率呈先增加后减少的变化曲线，在2 500 μF时发射效率最大，催泪弹出口速度达到了113 m/s，不过此时电容过大增加了武器系统的制造成本，而且在1 500 μF时的发射效率与2500 μF时相差不大，出口速度也达到了86 m/s，满足系统的设计要求，如图10和表2。

2.5 电容电压值对催泪弹出口速度的影响

设定500 V、1 500 V、2 000 V、2 500 V、3 000 V、3 500 V、4 000 V、4 500 V、5 000 V的8个参照电压分别进行仿真，得出的结果如图11和表3所示，可见脉冲电源充电电压越高，催泪弹的受力就越大，得到的出口速度就越高。

3 影响发射的参数仿真结果分析

催泪弹电枢弹体壁厚度厚则增加负重，减少有效载荷，薄则减弱耦合效果，降低电枢初始，设定催泪弹壁的壁厚为2.5 mm；驱动线圈的匝数也不能过多和过少，确立了比较适合该系统的90匝大小；此外通过仔细筛选在1 mm～50 mm的范围内确定了催泪弹电枢与驱动线圈的中心距为36 mm时的最佳初始位置；以发射效率为依据，确定了合理的电容器电容值1 500 μF，再通过改变电容电压选择了适合实际任务需求的3 500 V的电容电压。

4 模拟催泪弹的发射试验

搭建了如图12所示的武器系统单个发射管装置。调节恒流充电电源的各项参数后输出电压为5KV，脉冲电源采用5个300 μF的电容器并联，总容量达到了1 500 μF，并采用单光电感应器测速法测量模拟催泪弹的速度，模拟催泪弹发射速度测量装置如图13所示。模拟催泪弹电枢的总长度为80 mm，其中铝制薄圆筒长50 mm，厚度为2.5 mm，质量约37 g，内部采用质量约63 g的硬质尼龙与铝制薄圆筒采用螺纹连接，保证总质量为100 g，催泪弹电枢内径为32 mm，外径为37 mm，结构如图14所示。

当发射系统的前期检查工作完成后进行脉冲电源的充放电实验，通过检验证明脉冲电源和恒流充电电源的实际工作性能良好，可以进行模拟催泪弹的单发和连续发射试验。S1表示模拟催泪弹底部与发射管底部的距离。

从表4可以看出，模拟催泪弹的出口速度随着S1的减小呈现先增大后减小的变化规律，且最大出口速度达到了76.92 m/s，当前情况下模拟催泪弹与驱动线圈的中心距约36 mm，这与仿真分析得到的最佳触发位置相同，证明了仿真的正确性。调节脉冲电源充电电压确保实测电压一致，进而进行催泪弹连续发射试验。

模拟催泪弹一次5枚连续发射时，5发射弹中最高初始速度为76.19 m/s，发射效率最高可达3.15%。

5 结束语

本文首先对催泪武器系统的整体结构进行了介绍，并选取系统的一个功能单元进行催泪弹发射过程的动态仿真分析，对武器系统发射效率中的各种影响因素加以分析，确定出一套较为合理的参数指标，以各项参数的最佳数值为依据搭建了单个发射管的试验平台，并进行了模拟催泪弹的单发和连续发射试验，所得到的催泪弹出口速度达到了技战术要求，武器系统的发射效率相对较高，满足系统设计指标。

［1］翟晓军，刘仔明，鲁月.电磁催泪风暴系统研究［J］.火力与指挥控制，2014，39（1）:164-167.

［2］于海龙.金属风暴武器发射动力学研究［D］.南京：南京理工大学动力工程学院，2008.

［3］曹延杰，刘文彪，张媛，等.单级感应线圈炮最佳初始位置仿真研究［J］.计算机仿真，2006，23（12）：9-11.

［4］张魁，蔡伟.国产催泪子弹发射器应用分析及作战效能［J］.四川兵工学报，2008，28（1）：123-125.

［5］刘仔明，翟晓军，陈忠礼.电磁发射式催泪武器系统出口速度仿真［J］.计算机仿真，2013，6（10）：35-38.

［6］杨栋，沈志，刘振祥，等.螺旋线圈电磁发射器径向受力仿真与电枢设计［J］.电工电能技术，2011，30（3）：47-50.

［7］赵科义，李治源，程树康.单级感应线圈炮工作过程的动态仿真［J］.高电压技术，2008，31（8）:1667-1671.

［8］李凤层，雷彬，李治源.单级感应线圈发射器动态仿真及实验研究［J］.微电机，2010，28（11）:37-41.

Structure Design of Electromagnetic Launch Tear Weapon System and Launch Simulation of Launch Unit

LU Yue
（Offcers College of CAPF，Chengdu 651205，China）

The Weapon System is on the basis of Electromagnetic launch technology adds“metal storm”military system model，putting forward the idea about a new conception military equipment to send Non-lethal weapons ammunition with rof，has broken the traditional rely on the limitations of gunpowder to launch non-lethal ammunition，expands the research direction for non-lethal weapons research and thinking.This paper is in order to the firing efficiency of the Tear Weapon System for the judgement criteria，according to improve simulation methods of the system launch process，The relation curve concerning the structure parameters affecting tear gas armature launch is arrived by the thickness of setting up model，setting performance parameters as well as post processing a series of rational structural parameters is chosen and set up according to the sending efficiency and outlet velocity in order to lay a foundation for the further study.According optimal parameters for the standard to set up a test platform，the results of the simulated tear gas single and continuous emission test demonstrated the theoretical design and simulation result of tear weapons systems.

non-lethalweapons，electromagnetic emission，dynamic simulation，finite element simulation

O441

A

1002-0640（2015）10-0178-05

2014-09-05

2014-10-27

鲁 月（1988- ），女，四川成都人，硕士。研究方向：管理科学与工程。