单级感应线圈炮弹丸出口速度与效率影响研究

国　伟，苏子舟，曹　斌，张　博，范　薇

(西北机电工程研究所，陕西 咸阳　712099)



单级感应线圈炮弹丸出口速度与效率影响研究

国伟，苏子舟，曹斌，张博，范薇

(西北机电工程研究所，陕西 咸阳712099)

驱动线圈是同步感应线圈炮的主要组成部分，其结构对系统性能有着重要的影响。通过分析储能型单级感应线圈炮的工作原理和电路模型，利用Ansoft有限元软件，分别建立了短距、中距、长距3种结构驱动线圈模型，计算了多种弹丸启动速度下的最佳触发位置及单级线圈效率。计算结果表明:3种结构驱动线圈最佳触发位置均随弹丸启动速度增加向线圈底部(炮尾)方向移动；短距线圈效率最低，随弹丸启动速度增加而降低；中距线圈效率最高，先随弹丸启动速度增加而增加，增加到一定值随后再降低；长距线圈效率居中,随弹丸启动速度增加而增加。

电气工程；单级感应线圈炮；线圈结构；有限元分析；最佳触发位置

电磁发射是将电能通过电磁力转化为机械能实现将抛体发射的过程，按原理可分为线圈炮、轨道炮和重接炮3种。同步感应线圈炮作为线圈炮的一种主要形式，具有弹丸加速力大，驱动电流相对较小，不与驱动线圈直接接触，避免了摩擦和导轨烧蚀，利用效率较高，寿命长等特点，应用前景非常广阔[1-2]。

在单级感应线圈炮系统中，弹丸所能获得的动能增加量与初始储能、驱动线圈结构、弹丸结构、触发位置、弹丸启动速度等参量有关。驱动线圈有短距、中距、长距3种结构形式，由此形成的线圈炮在最佳触发位置和单线圈效率等方面具有各自不同的特性。由此引出一个问题，即不同驱动线圈结构对弹丸受力运动的影响规律[3-4]。对于这两者之间的关系，由于试验研究的成本较高，往往只选择有代表性的进行定性研究。因此，为了定量分析这两者之间的关系，笔者应用Ansoft有限元软件分别对短距、中距、长距3种驱动线圈结构单级感应线圈炮系统弹丸初速、最佳触发位置、单线圈效率之间的关系进行了仿真分析，为以后同步感应线圈炮驱动线圈问题的研究提供理论参考。

1　同步感应线圈炮工作原理

1.1原理分析

同步感应线圈炮的工作原理类似于圆筒型直线异步感应电动机，定子线圈产生的磁场因施加的脉冲电流而发生变化时，抛体线圈产生感生电流，抛体线圈电流产生的磁场与定子线圈的磁场相互作用，产生轴向的力推动抛体前进，产生的径向力使弹丸悬浮。单级感应线圈炮的工作原理,如图1所示。

感应线圈炮的电源目前多选取具有高储能密度的电容器，通过放电开关控制向驱动线圈供电，驱动线圈产生圆环电流id，变化的电流在炮管内产生变化的磁场，使金属性质的弹丸产生了与驱动线圈同轴的环形电流ip，圆环电流id和ip产生的磁场相互作用，从而推动弹丸前进[5]。

多级感应线圈炮利用脉冲功率电源依次对多个串联的线圈进行放电，实现多级加速。多个线圈采用相同的内径，炮管采用非导磁材料。弹丸依次经过多级线圈的逐级加速，最终将弹丸加速到发射速度。

1.2电路模型

线圈炮的工作过程比较复杂，电、磁、机械联系比较紧密，影响因素比较多，为了简化分析，做了如下的简化：忽略了弹丸的空气阻力、回路的固有电感、线圈发热引起的结构变化等。

在上述的简化条件下，单级感应线圈炮电路模型如图2所示。

U0为储能电容器C的初始电压;Rd为放电回路的总电阻;Ld为驱动线圈的电感;Lp为弹丸的总电感;Rp为弹丸的总电阻;M为驱动线圈和弹丸之间的互感，是位置的函数[6]。

通过以下方程将2个闭合回路联系起来[1]

(1)

由初始条件可得

(2)

运动方程是

(3)

式中：vp为抛体线圈速度;up为弹丸感应电压;ud为驱动线圈电压;m为弹丸质量。

通过联立以上的方程组，就可以得到弹丸速度、加速度、位移等关键参量。

2　单级感应线圈炮有限元分析

单线圈效率是影响线圈炮性能的重要参数之一，可以提高弹丸初速、增大弹丸射程和穿甲能力、缩短射击的提前量、提高命中率。以下研究确定弹丸最佳初始发射位置均以获得最高单线圈效率为标准。

2.1系统参数

笔者所研究的单级感应线圈炮系统采用电容器储能，其电源、弹丸等基本参数如表1所示。

表1　基本参数

根据驱动线圈长度与平均直径之比将驱动线圈分为短距线圈、中距线圈和长距线圈，其中长度与直径之比大于1.2定义为长距线圈；长度与直径之比小于0.8定义为短距线圈；长度与直径之比介于0.8～1.2之间的驱动线圈定义为中距线圈。驱动线圈均采用铜质线芯，导电半径为2 mm，绝缘层厚度为1 mm，3种结构驱动线圈参数如表2所示。

表2　驱动线圈参数

2.2仿真模型

根据以上初始条件，利用Maxwell 软件建立该线圈炮系统模型，如图3所示，通过调节参数，研究驱动线圈对线圈炮性能的影响。驱动线圈的轴向中心和弹丸的轴向中心重合处为零点，当弹丸在驱动线圈后方时触发位置为正，当弹丸在驱动线圈前方时触发位置为负[7]。

2.3计算结果

对于驱动线圈而言，弹丸启动速度与触发位置对弹丸的加速效果影响很大，所以首先要找到弹丸在该初速下的最佳触发位置，从而得到最大的出口速度。本文中最佳触发位置定义为使单级线圈炮系统效率最高的触发位置。以短距线圈，弹丸启动速度140 m/s为例，其触发位置与单线圈系统效率的对应关系如表3所示,触发位置与出口速度曲线如图4所示。

表3　短距线圈触发位置与效率对应关系

由表3、图4可知，对短距驱动线圈而言，弹丸初速140 m/s时，其最佳触发位置为10 mm处，效率为23%。

依次类推，可以求出短距线圈、中距线圈和长距线圈在弹丸启动速度140，250，350，450，600 m/s时的最佳触发位置及对应的出口速度和效率。计算结果如表4所示。

表4　计算结果汇总表

2.4驱动线圈结构对最佳触发位置影响

由表4可以得到3种结构驱动线圈弹丸启动速度与最佳触发位置对应关系曲线,如图5所示。同一驱动线圈，弹丸启动速度不同其最佳触发位置不同；相同弹丸初速，不同结构驱动线圈其最佳触发位置不同；随初速增加，3种结构驱动线圈最佳触发位置均线性增大，即最佳触发位置均向线圈底部(炮尾)方向移动，这是弹丸启动速度增加后系统时间常数减小的一种自动适应。

2.5驱动线圈结构对单线圈效率的影响

由表4还可以得到3种结构弹丸启动速度与单线圈效率对应关系曲线,如图6所示。驱动线圈结构与单线圈效率关系更为复杂，整体而言，短距线圈效率最低且随弹丸启动速度增加而快速降低；中距线圈低速段加速能力强，效率高，随弹丸启动速度增加其效率有一个先增加后减小的过程；长距线圈低速阶段加速能力弱，效率随弹丸启动速度增加而增加，当弹丸初速达到450 m/s后，其效率超过中距线圈。因此以450 m/s初速为分界线，其下短距线圈和中距线圈效率高，其上长距线圈效率高。

3　结论

1)同一驱动线圈，弹丸启动速度不同其最佳触发位置不同；相同弹丸启动速度，不同结构驱动线圈其最佳触发位置不同。

2)随弹丸启动速度增加，3种结构驱动线圈最

佳触发位置均单调增加，以匹配系统时间常数。

3)驱动线圈结构影响单线圈效率，整体而言，短距线圈单线圈效率最低、长距线圈效率次之、中距线圈效率最高。

4)弹丸启动速度对不同结构驱动线圈效率影响规律差异很大：短距线圈效率随弹丸启动速度增加而快速降低；中距线圈效率先随弹丸启动速度增加再减小，存在极值；长距线圈效率随弹丸启动速度增加而增加。

References)

[1]向红军，李治源，雷彬. 基于场路耦合的多级感应线圈炮内弹道分析[J]. 弹道学报，2012，24(3)：100-104.

XIANG Hongjun，LI Zhiyuan，LEI Bin. Anlysis on interior ballistics of multi-stage inductive coil gun based on coup-ling of field and circuit[J]. Journal of Ballistics，2012，24(3)：100-104. (in Chinese)

[2]ZHANG Tao, GUO Wei, LIN Fuchang, et al. Experimental results from a 4-stage synchronous induction coilgun[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2013,41(5)：1084-1088.

[3]ZHANG Tao, GUO Wei, LIN Fuchang, et al. Design and testing of a 15-stage synchronous induction coilgun[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2013, 41(5)：1089-1093.

[4]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, 2008,34(8):1667-1671.

ZHAO Keyi, LI Zhiyuan, CHENG Shukang. Dynamic simulation of working process of the single-stage induction coil-gun[J]. High Voltage Engineering, 2008,34(8):1667-1671. (in Chinese)

[5]KAYE R J．Operational requirements and issues for coilgun electromagnetic launchers[J]．IEEE Transactions on Magnetics，2005,4l(1):194-199．

[6]邹本贵，曹延杰，李瑞锋，等．电磁线圈发射器相似模型研究[J].电工技术学报，2013，28(2):73-77.

ZOU Bengui, CAO Yanjie, LI Ruifeng, et al. Research on the scaling model of electromagnetic coil launcher[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2013,28(2):73-77.(in Chinese)

[7]BARMADA S, MUSOLINO A, RAUGI M, et al. Analysis of the performance of a multi-stage pulsed linear induction launcher[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2001, 37(1):111-115.

Muzzle Velocity and Efficiency Performance of Single-stage Induction Coilgun

GUO Wei，SU Zizhou，CAO Bin，ZHANG Bo，FAN Wei

(Northwest Institute of Mechanical & Electrical Engineering, Xianyang712099, Shaanxi, China)

As a main component of the synchronous induction coil-gun, the structure of drive coils has great influence on its function. Working process and circuit model, which describes single-stage induction coil-gun excited by the stored energy pulsed capacitor, is established for the three kinds of structures: short range, medium range and long range. The single-stage induction coilgun is researched by simulation through the 2-dimension transient solver in the Ansoft software. With the maximal efficiency of drive coil as target function and the space of the centers of the driving coil and projectile as variables when discharging, three types of drive coils’structures are simulated. The simulation results indicate that each drive coil has its own best discharge position, and this position is different, which provides the theoretical reference for future engineering practice. The findings are as follows: the short range drive coil has the lowest efficiency, which decreases as the discharge speed increases; the medium range drive coil has the highest efficiency, which increases as the discharge speed increases up to a certain value; the long range drive coil has the middling efficiency, which increases as the discharge speed increases.

electrical engineering; single-stage induction coilguns; drive coils; finite element analysis; best discharge position

10.19323/j.issn.1673-6524.2016.02.001

2014-11-23

国伟(1965—)，男，研究员级高级工程师，主要从事电磁炮武器系统总体及测控技术研究。E-mail：goodwa@163.com

TJ012.1

A

1673-6524(2016)02-0001-04