电磁轨道炮被动式炮口消弧装置的理论分析与优化设计

唐 波,徐英桃,栗保明

(南京理工大学 瞬态物理国家重点实验室,南京 210094)



电磁轨道炮被动式炮口消弧装置的理论分析与优化设计

唐 波,徐英桃,栗保明

(南京理工大学 瞬态物理国家重点实验室,南京 210094)

为了研究电磁轨道炮消除炮口电弧的方法,提出了一种新型结构的被动式炮口消弧装置,建立了含有消弧装置的内弹道计算模型。分析了被动式消弧器的两个作用原理,第一个是磁通压缩原理,能够在电枢中产生反向电流,以减小炮口剩余电流;第二个是续流原理,使系统中残余能量可以从消弧器中释放,而不是经过电弧,从而大大减小炮口弧光。发现消弧器的电气参数必须与发射器的电气参数相匹配才能达到最佳效果,过大或过小的感抗和阻抗都会导致不良消弧状态,最优参数应为较小的电感与稍大的电阻组合。进一步研究了炮口消弧器的工程化设计方法,所提出的结构最适合使用不锈钢材料,能显著降低炮口残余电流和电弧,而初速基本没有减小,该理论分析和设计思路可以为轨道炮消弧器的研究提供参考。

内弹道;电磁轨道炮;炮口消弧;消弧器设计

电磁轨道炮作为新概念武器受到广泛关注,其发射时依靠电磁力推动弹丸运动,理论上电磁轨道炮可以做到无声、无光发射,具有非常高的隐蔽性。目前美国已建成32 MJ电源系统,最新的电源系统总储能高达100 MJ,但实际电能转换效率只有30%左右,有相当大的能量残留在发射系统中[1]。尤其是在电枢出炮口时,导体间的固体电接触变为电弧接触,电源系统中的能量需要通过电弧继续释放,使电弧持续燃烧形成炮口电弧。当电枢出炮口时仍有数百安培的电流从电弧中流过,导致严重的炮口烧蚀和巨大的闪光、声响等,这会大大降低轨道寿命和隐蔽性。

消除炮口电弧的方法已有不少研究,在炮口增加分流装置便是有效的方法。Honig设计了利用炮口开关在弹丸出炮口时快速导通的方法,使剩余电能重新存储到电源系统中[3]。Parker等人研究了炮口分流器的性能,发现在炮口增加分流电路能够显著减小电枢的峰值功率,减轻烧蚀问题。之后,Parker又设计出一种电感型炮口分流器,利用磁通压缩原理可以简单而高效地消除炮口电弧,当选择合适的电气参数时就能使炮口电流减小到0[4-5]。Jamison 等人也发现在炮口串联电阻后能使电枢出膛时炮口残余电流显著减小[6]。Bernardes等人设计了一种电容器型炮口分流器,能够明显减小炮口电弧闪光,并恢复系统中约10%的能量[7]。国内何勇等人使用低阻抗的触发开关作为主动式消弧装置,当电枢接近炮口时快速导通开关,实验表明该方法能够有效地抑制炮口电弧[8]。目前,消除电弧的方法以实验为主,理论研究与工程化研究较少,但对于武器系统而言,炮口消弧器的设计研究有很大意义。本文将建立被动式消弧装置的理论计算模型,结合工程实际讨论被动式炮口消弧器的设计方法,提出一个高效、紧凑的新型实用化结构,最终给出相关电气参数与结构参数的最优匹配原则。

1 炮口消弧器的理论分析

图1为轨道炮发射时典型的电流曲线[2]。

图1 炮口残余电流示意图

为消除炮口电弧,常见的有2种方法,即主动式和被动式[8]。主动式消弧装置利用开关导通炮口消弧回路,对电气参数的要求不高,但由于其需要准确的测量电枢出膛时刻,且开关系统体积较大,不适合安装在炮口上。而被动式消弧装置的结构简单可靠,将正负极轨道在炮口处用电感或电阻等连接在一起即可,一方面炮口回路能够在电枢前部压缩磁通,减小炮口残余电流;另一方面回路可以续流,削弱电弧能量。被动式炮口消弧器的可靠性已有很多实验可以证实[4-7],在此基础上设计了适合工程应用的新型消弧器结构,如图2。

图2 被动式消弧装置结构示意图

该结构主要有3个特点:①结构简单、体积小、强度高,适合安装在炮口部位,以一体化结构方便与轨道连接,增加发射器炮口部位的强度;②效率高,经过优化设计后,该型消弧器电感值较小,而电阻值稍大,能够保证良好的消弧性能,而炮口初速基本没有减小;③在端口部有缝隙,与电力开关中常用的窄缝灭弧原理类似[9],可将残存的电弧隔断释放,或快速冷却而灭弧,结构上与常规炮口制退器类似[10],比较美观。

当身管的结构不同时,消弧器的结构也需要作相应的调整,以使消弧器的电气参数与身管的电气参数相匹配,否则不能达到最佳消弧状态。本文以一个小口径电磁轨道炮身管的电气参数为例,设计出与其相匹配的消弧器参数,由于导体自身的阻抗,只需改变结构设计就可以达到所需的电感值和电阻值。最后,设计出符合工程应用的机械结构,该方法简单实用,也是本文着重强调的一点。首先建立内弹道计算模型,与普通电磁发射器相比,该模型需要在计算中增加消弧器回路的电路方程,简化电路如图3所示。图中,UB为炮尾两端的电压,Ua为电枢两端的电压,x为电枢到炮尾距离,lg为轨道总长度,Iall为总电流,Ia为电枢中的电流,Is为炮口消弧器中流过的电流。

含有消弧器的轨道炮发射过程可以分为2个阶段[11],第一阶段是电枢在膛内运动时,电枢前方和后方轨道的电感值和电阻值都在变化,而且电枢前方的回路会对电枢中电流产生较大影响;第二阶段是电枢脱离轨道时,轨道间会出现大量等离子体电弧或金属蒸汽等,可以近似认为轨道间将存在高阻值电阻。第一阶段的等效电路图与相关电气参数如图4。图中,L0和R0分别为回路的初始电感和电阻,L′和R′分别为轨道电感梯度和电阻梯度,Ls和Rs分别为炮口消弧器电感和电阻。电枢后部轨道中的电感L′x和电阻R′x快速增大,而电枢前部的电感L′(lg-x)和电阻R′(lg-x)则快速减小,出现磁通压缩现象,抵消了电枢中的部分电流,并最终减小到0。

图3 含有消弧装置的轨道炮示意图

图4 第一阶段等效电路图

电源系统由n个模块组成,每个模块电容为Ck,初始电压为Uck,电感为Lk,k=1,2,…,n,用方程组表示为[12]

(1)

计算中当Uck≤0时,令Uck=0。除了电源系统的方程组,还需要写出身管系统的电路方程组,即:

(2)

式中:v为电枢运动速度。

第二阶段是电枢出炮口时,炮口残留有部分电弧,将继续导通回路。设炮口电弧的电阻为Rc,根据Marshall[13]计算出的铜等离子体电导率约为20S/mm,近似取值为12mΩ,第二阶段等效电路图如图5所示。

此时电枢已经脱离轨道,但仍用Ia表示电弧中流过的电流,并认为是炮口残余电流。此时,系统的电路方程变为

(3)

除此之外,还需要建立电枢的运动方程,与普通轨道炮不同的是,由于炮口消弧器的分流作用,电枢受到前后两侧的磁场叠加作用[4],电磁力方程为

F=(L′IallIa/2)+(L′IsIa/2)

(4)

(5)

式中:F为电枢受到的电磁力,ma为电枢质量。结合式(1)～式(5),就可以计算出含有炮口消弧装置时,电磁发射器的整个内弹道过程。

图5 第二阶段等效电路图

2 计算算例

为更好地分析被动式炮口消弧器的设计方法及其阻抗与身管系统的匹配关系,以一个单轨20 mm小口径轨道炮为算例,根据实验数据以及结构参数,可以得到该发射器与电源系统的电气参数等,如表1和表2。

表1 电弧与消弧器的电气参数

表2 身管与电源系统参数

2.1 被动式消弧器原理分析

将各参数代入计算模型后得到的计算结果如图6所示,可以发现,加装炮口消弧器与不加消弧器时,总电流的波形几乎一致,说明该型炮口消弧器对电源系统的放电特性基本没有影响。在未加装炮口消弧器时,认为回路中的总电流全部经过电枢,并在电枢出炮口时释放到电弧中,此时,剩余电流高达80 kA。当加装炮口消弧器后,发射过程中有一部分电流从消弧装置中流过,电枢中的电流逐渐减小,在出炮口时电枢中的电流基本减小为0,从而大大减小炮口的残余电流,而且减小电枢中流过的电流,有利于减轻烧蚀问题,增加轨道寿命等。

图6 电路仿真结果

由图6也可以看出,电枢电流在下降过程中有一个明显的转折点,先是较缓慢地减小,而后快速减小,对应消弧过程的2个阶段,也可以认为是被动式消弧器的2个工作原理,分别是磁通压缩原理和续流原理。

第一个是磁通压缩原理,初始时刻,由于消弧器回路的电感,消弧器中流过的电流很小,保证了电枢的加速运动。随着电枢的前进,消弧回路的总电感迅速减小,出现磁通压缩现象,使消弧回路中的电流快速增加,抵消了电枢中的部分电流,但由于炮口分流的作用,电枢的初速基本不会降低。最终电枢出炮口时剩余电流将大幅减小,从而最大程度地抑制枢轨分离时电弧的产生。

第二个是续流原理,当电枢出炮口后,系统中的剩余能量将通过消弧器释放,而不是经过残余电弧或金属蒸汽释放,从而削弱电弧中的能量。如图7中,无消弧器时,炮口电弧中的电流密度很高,使电弧能量快速增加,导致较大的闪光和噪声等[14];而安装消弧器后,大部分电流从消弧器中流过,电弧中的电流密度小得多,基本只聚集在消弧器的内部,从而大幅减少炮口电弧的闪光等。

图7 含消弧器与不含时炮口电弧中的电流密度对比

2.2 被动式消弧装置优缺点分析

被动式炮口消弧器的优点如前文所述,结构简单、效率高,若参数选择合适,能显著减小电枢出炮口时产生的电弧,而且由于炮口消弧器的分流作用,电枢前后两侧的磁场相叠加共同推动电枢运动,电枢的炮口初速只是稍微降低,由1 860 m/s降低到1 818 m/s,如图8中良好消弧状态。这与Parker的实验结果是一致的[5],该实验中炮口电流由170 kA下降到12 kA,而初速仅由1 140 m/s下降为1 090 m/s。理论分析与实验都说明此类被动式炮口消弧装置是非常有效的。

图8 不同状态下电枢膛内运动速度曲线对比

但被动式炮口消弧器也有缺点,如图8中不良消弧状态,炮口初速降低比较多。这是由于消弧的电气参数与发射器的电气参数不匹配,对消弧性能和发射性能产生了不良影响。由于发射时间短,磁通压缩速度很快,当消弧装置中电感和电阻非常小时,消弧回路中将产生过大的反向电流,进而导致电枢中电流反向,严重降低炮口初速。例如选择Ls=0.1 μH,Rs=0.1 mΩ时,电枢中的电流减小过快而反向,如图9所示。同时炮口初速由1 860 m/s降低到1 660 m/s,降低了10.8%,不过这个缺点可以解决,因为发射器的结构确定后,就可以确定其相关参数,从而设计出与其相匹配的消弧器参数。

图9 电枢中出现的反向电流

2.3 基于新型结构的被动式消弧器优化设计

根据上述分析,被动式炮口消弧器的设计方法总结为:首先确定身管的电气参数,根据其数值计算出满足最佳性能需求的消弧器电气参数,最后根据该参数设计出消弧器的结构。以该发射器为例,先计算出消弧器不同电感值和电阻值时炮口的电流IM和初速vM,如图10和图11所示。

图10 炮口初速随电感和电阻的变化规律

图11 不同电阻值和电感值时炮口电流

结合图10和图11,可以看出当Ls与Rs过小时,电枢中电流将反向,炮口初速会严重降低。其余情况下,初速基本没有降低,说明合适的参数可以防止发射效率下降;当Ls和Rs较大时,炮口的残余电流也变大,消弧的性能降低,但仍比不安装炮口消弧器时要低得多,说明消弧器能够有效减小炮口电流。另外,电感值对其性能影响比电阻更大,设计时应首先考虑其电感。

为找出最佳的参数,假设WI和Wv分别表示炮口电流和初速的设计权重,计算中各取50%。2个不同的量还需要进行归一化处理,考虑到炮口电流无论正向还是反向,数值过大都是不利的,因此取绝对值的负数,K表示最优系数,即:

(6)

最优参数如图12中颜色最深的区域,实际设计时难以得到精确数值,使其值在该范围内即可。综上,选择较小的电感能达到消弧目的,而选择偏大一些的电阻,能防止出现反向电流,从而保证发射效率。最优参数应为较小的电感值与稍大的电阻值的组和,此时炮口电流基本可减为0,而初速不会明显降低。

图12 最优参数示意图

针对本文提出的炮口消弧器结构,使用三维有限元软件计算出其电感值和电阻值,由于电感受结构影响较大,该结构确定后电感值基本也可以确定。而电阻值的大小与其材料的导电性有关,对于该型结构,计算了几种不同材质时的炮口电流和初速,如表3。

表3 不同材质对该型炮口消弧器的影响

计算发现,导电性较好的银、铜、铝等材质并不适合用来制作这种类型的炮口消弧器。反而导电性不良的不锈钢材质却更适合,这个结果是比较好的,因为钢的强度很高,能够保证消弧器不被破坏,还能进一步增加炮口部位的强度,而且其成本低,易加工。另外有一个优点值得考虑,一般的钢铁材料会有磁饱和效应[15],而这对于炮口消弧器是有利的。刚发射时,铁质材料没有达到磁饱和状态,磁导率较高,因而其感抗也比较大,会减小消弧器中的电流,而保证电枢的加速运动;而当电流增大后,铁质材料很快达到磁饱和状态,感抗减小,有利于磁通压缩,从而快速减小炮口残余电流。也可以选择性能更好的合金材料,只需使其电气参数与发射器参数相匹配即可。对于本文提出的消弧器结构,最佳选择是不锈钢材料。

3 结束语

本文总结了炮口消弧的方法,提出了一种简单高效的被动式炮口消弧器结构,并推导出了计算模型,该模型能够很好地模拟出含有消弧装置的轨道炮内弹道曲线。根据计算结果,主要得到以下几点结论:

①被动式消弧器主要有2个消弧原理。一是磁通压缩原理,当电枢在轨道中运动时,消弧器与轨道回路的电感值快速减小,导致消弧回路的电流不断增大,以抵消电枢中的部分电流,从而减小出炮口时的残余电流;二是续流原理,电枢出炮口后,系统中的剩余能量可以通过消弧器继续释放,而不是通过电弧,从而削弱电弧的能量,进而减小闪光和噪声等。

②消弧器的电气参数必须与发射器的电气参数相匹配才能达到最佳效果,过小的电感和电阻会导致反向电流,严重降低效率;过大的电感和电阻无法使炮口电流减为0。最优参数应为较小的电感值与稍大的电阻值的组合,此时炮口残余电流可减小到0,而初速基本不会降低。

③进一步研究了炮口消弧装置工程化设计方法,针对本文提出的被动式消弧器结构进行了优化设计,发现该结构的电感合适,使用钢材质时能使消弧器的电气参数与身管参数相匹配,达到最佳消弧性能。同时,该结构简单可靠,还可增加发射器的炮口强度。此外,利用钢铁质材料的磁饱和效应可使消弧器初始时刻感抗较大,进一步增强系统的发射性能与消弧性能。该理论分析与工程设计思路可以为轨道炮的消弧研究提供参考。

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Theoretical Analysis and Optimization Design of Passive Muzzle Arc Suppression Device in a Railgun

TANG Bo,XU Ying-tao,LI Bao-ming

(National Key Laboratory of Transient Physics,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China)

To control muzzle arc of electromagnetic rail gun,a new passive arc suppression device of muzzle was proposed,and the calculation model of the interior ballistics was established.Two arc suppression principles were analyzed.The first is the magnetic flux compression,and the muzzle circuit will produce reverse current in armature to reduce the muzzle current.The second is the continuous flow of current when armature is out,and the residual energy will release by the arc suppression device instead of the arc flash.The electrical parameters of arc suppression device should be matched with the launching system,and too small or too large inductance and resistance will lead to undesirable arc suppression.The optimal parameters should be the smaller inductance and slightly larger resistance.In this design,the best material is stainless steel which is simple and reliable.With this device,the muzzle residual current is almost reduced to zero,but the muzzle velocity is not reduced.This design offers reference for the study of muzzle arc suppression device.

interior ballistics;electromagnetic railgun;muzzle arc control;arc suppression device design

2016-08-23

唐波(1990- ),男,博士研究生,研究方向为电磁发射技术。E-mail:tangbo90@126.com。

TJ399

A

1004-499X(2016)04-0062-06