一种单兵电磁武器发射过程仿真研究

徐 麟,张 军,董健年v(南京理工大学 能源与动力工程学院,江苏 南京 210094)

一种单兵电磁武器发射过程仿真研究

徐 麟,张 军,董健年v(南京理工大学 能源与动力工程学院,江苏 南京 210094)

为了推进电磁发射武器向单兵作战平台发展,采用计算机仿真研究了一种基于锂聚合物电池供电的单兵电磁武器发射过程。采用两级磁阻线圈型的电磁发射模型对发射装置进行了理论分析,利用Ansys Maxwell有限元软件研究了发射装置的内弹道过程。分析发现多级电磁发射过程中逐级减小线圈匝数能有效提高弹丸发射速度。仿真结果表明:在单兵电磁武器小型化的要求下,通过合理设置线圈匝数能有效提高弹丸发射速度,该结果可为后续单兵电磁发射武器的设计及研究提供参考。

单兵武器;电磁发射;磁阻电磁武器;仿真

Abstract:In order to promote the application of electromagnetic launch in individual combat platform,the computer simulation was conducted to study the launching process of individual electromagnetic weapons powered by lithium polymer battery.The electromagnetic launching model of two-stage reluctance coil was adopted,and the launching device was analyzed theoretically.It can effectively improve the launching speed of projectile to stepwise decrease the coil turns in the process of the multistage electromagnetic emission.The results show that under the miniaturization requirements of individual electromagnetic weapons,the speed of projectile can be effectiviely improved by reasonably setting the coil turns.The results can offer reference for the design and research of the subsequent individual electromagnetic launch weapons.

Keywords:individual weapon;electromagnetic launch;reluctance electromagnetic weapon;simulation

人类战争模式正进入信息化的时代,单兵作战系统作为未来战场上最基本的武器平台,在配备了先进的通信系统、火控系统和单兵计算机系统的条件下,单兵携带小型化电源成为必然,这就使以电能为能源的电磁发射技术应用于单兵作战武器成为可能。电磁发射武器可具有以下优点:火力可控,良好的隐蔽性,便捷的后勤保障[1-2]。

目前,电磁武器的研究普遍使用脉冲功率源作为能源,如参考文献[3-6]使用的均是基于电容储能的脉冲电源,其优点是功率密度较高,能快速地释放出存储的所有能量,然而其不足是每次发射后需要一定的充电时间。本文针对单兵轻武器系统的应用环境,研究一种基于单兵作战平台必须携带的锂聚合物电池供电的单兵电磁武器,利用锂电池能连续输出电能的特性,实现连续发射、降低士兵负载的要求,并使用Ansys Maxwell有限元软件对发射动态过程进行了仿真分析。

1 系统工作原理及组成

发射装置的工作原理如图1所示。它利用铁磁性发射物与驱动线圈组成的磁路磁阻的变化来吸引发射物加速运动。基于磁阻最小原理,在忽略涡流影响的情况下,铁磁弹丸在驱动线圈内被磁化,由于铁磁弹丸具有比空气更大的磁导率,其在枪管内将向着磁阻减小的方向运动,直至线圈轴向中心处磁路空气气隙变小,磁路的磁阻也最小,弹丸受力减为0。当弹丸依靠惯性继续向离开中心的方向运动时,原促使弹丸向前运动的电磁力变为反向拉力阻碍弹丸运动[7]。因此,在弹丸到达线圈中心位置后应尽快使驱动线圈中的电流降为0,使弹丸不被拉回。

单兵电磁武器可看作是一种两级磁阻型电磁线圈发射器,系统包括铁磁性弹丸、驱动线圈、枪管、锂聚合物电池、绝缘栅双极型晶体管(IGBT触发开关),如图2所示。与现有的电磁线圈发射装置不同,使用锂聚合物电池替代了传统的电容器组作为电源,并使用全控型器件IGBT作为主控开关,以达到连续发射的目的。

弹丸在驱动线圈前端时受到电磁拉力作用向前运动,当弹丸中心与线圈轴向中心重合时,应尽快切断电源使电流降为0,这样才能保证弹丸获得最大的加速效果。传统的线圈发射器往往在发射轨道内安装弹丸位置传感器来触发电路,这对线圈的结构将产生影响。因此,本文采取了弹丸与驱动线圈相同长度的设计,在线圈两端设置红外传感器监测弹丸位置。当弹丸前端到达线圈时,传感器触发电路,弹丸受到电磁拉力的作用。当弹丸前端到达线圈尾端时,弹丸的尾部正好离开前端传感器,前一级线圈触发电路断开,有效抑制了电磁制动力的作用。

2 动力学模型

发射线圈作为线圈发射器的主要部件均匀地密绕在空心管状骨架上,在螺旋线圈发射器中,系统存储的磁场能量Em可以定义为[8]

EmNidΦ=Φ2Rm

式中:N为驱动线圈匝数,i为驱动线圈电流,Φ为系统磁通,Rm为磁通路径的磁阻。

根据磁路欧姆定律可计算磁路磁阻:

式中:lm为磁路长度;Am为磁通穿过的面积;μ0为真空磁导率;μr为相对磁导率。

由此可知磁场所存储能量是磁阻与磁通的函数。对于理想电磁线圈发射系统,可以认为弹丸动能的变化量等于磁能的变化量,根据虚功原理[9],设有一个N匝、长度l、单匝线圈电阻为R、供电电压为U、通恒定电流I的驱动线圈,截面积为A的弹丸在其中运动,虚位移量为Δx,如图3所示。

可得虚位移能量差:

从而弹丸的受力为

加速度为

(1)

式中:χm为铁磁物质的磁化率,H为螺线管中的磁场强度,lp为弹丸长度,ρ为弹丸材料密度。

螺线管中的磁场强度:

(2)

驱动线圈的电流:

(3)

将式(2)、式(3)带入式(1),可得:

(4)

3 有限元仿真分析

3.1 仿真模型的建立及参数设置

在多级磁阻型线圈发射器中,弹丸在驱动线圈中的加速过程是非线性变化,很难建立系统数学模型。Ansys Maxwell可以自动考虑部件形状、相对位置及材料特性对电感等参数计算的影响,可以解决直接计算参数的困难[10]。本文采用Maxwell中的2D瞬态求解器对两级线圈发射器进行仿真分析,利用有限元法解决理论计算的难题,为后续单兵电磁武器的研究提供参考。

两级发射器模型结构如图4所示。

由于研究的弹丸发射速度较低,空气阻力及摩擦力对仿真结果影响较小,为了简化仿真模型,忽略空气阻力及摩擦力的影响。建立基于柱坐标系的2D瞬态仿真环境,模型包括两级驱动线圈、弹丸抛体、枪管(运动区域)、求解区域。弹丸的直径为10 mm,长度为50 mm,材料为10#钢,质量为7 g。为了控制需要,驱动线圈长度设置与抛体相同,宽度为12 mm,共有150匝,两级驱动线圈间隔5 mm,模拟红外触发器的位置,材料设置为铜。枪管与求解区域均设置为空气材料。利用Maxwell软件仿真100 V锂聚合物电池供电下的输出电流波形,采用位置触发模式,模拟实际中的光电检测触发情况。

图5为单级触发电路原理图,外电路触发时间由弹丸在枪管中的运动位置决定,通过Maxwell Circuit的VPulse模块来实现。同时,在关断时驱动线圈中仍会有电流存在,为了使弹丸不受到反向拉力,设计了能量消耗续流支路,使线圈中的电流在关断后迅速降为0。由第2节分析可知,抛体与驱动线圈齐平时所受电磁力减为0,为了使抛体获得最大加速度且结合实际应用情况,设置第1级触发位置为0 mm,第2级触发位置为55 mm。仿真时间为4 ms,步长为0.1 mm。抛体与驱动线圈的剖分网格最大长度设置为1 mm,枪管和求解区域最大长度设置为2 mm。

3.2 发射系统仿真分析

图6给出了弹丸速度随位置变化的曲线,以弹丸初始位置为0点,可以看出弹丸获得了持续的加速,其中,在前50 mm初级线圈中的速度上升较快,离开第1级线圈时速度达到了70 m/s,而在第2级线圈中弹丸的加速效果明显下降,最终的出口速度只有73 m/s,相较进入第1级线圈时的速度只有3 m/s的提升,效果很不理想。

继续观察图7所示的弹丸在不同位置时的电磁力曲线。从图中可以看出,弹丸在第2级驱动线圈中所受的电磁力较第1级驱动线圈中的360 N明显降低,峰值只有27 N,导致在第2级线圈中的加速情况较差。同时观察图8所示电流波形可以看出,第1级驱动线圈的电流峰值为286 A,远大于第2级驱动线圈的58 A。对比两图可以分析出,弹丸在第1级线圈中从静止开始运动,耗时2.3 ms才到达第1级线圈关闭点。在这段时间内电流上升到了较大值,弹丸在长时间、强电流的情况下被推动到较高速度。进入第2级线圈时,弹丸在有较高初速的情况下仅用了0.6 ms就穿过了线圈,第2级驱动电路只获得了短暂的导通,由于驱动线圈阻感的作用,电流无法上升到较大值。弹丸在短时间、低电流的情况下速度只得到略微的提升。

通过分析可得知,弹丸在第2级线圈中的加速效果不显著,这主要源于驱动线圈导通时间过短,电流上升率较低,无法在弹丸运动过程中提供足够大的电磁力。通电线圈中的电流上升率只由回路的阻感时间常数l/R决定。弹丸在第1级线圈中的运动时间较长,电流上升率对弹丸加速效果影响较小,而在弹丸速度较高的第2级线圈内电流上升率就成为重要因素。本研究模型采取的是驱动线圈长度固定的方式,为了提高发射器对弹丸的加速能力,根据式(4)及电感特性,减小驱动线圈匝数能提升电流上升率并使弹丸加速度得到提高。现将第2级驱动线圈匝数分别减小至110匝与70匝进行仿真分析。

图9显示了2种情况下的速度波形,可以看出,弹丸在第2级线圈只有110匝时速度提升到了76 m/s,在只有70匝的情况下速度提升至81 m/s,弹丸出口速度得到了提升。图10与图11分别显示了弹丸所受的电磁力与第2级驱动线圈的电流曲线。观察两图可以发现,第2级线圈中电流的幅值和上升率在匝数减少后都得到了较大提升,分别达到了125 A与375 A。弹丸在第2级线圈中所受电磁力幅值分别达到了50 N与101 N,弹丸获得了较好的加速效果。

4 结论

本文针对未来单兵作战系统的要求,研究了一种基于锂聚合物电池供电的单兵电磁武器,能够克服脉冲功率源需要先储能后释放的缺点,满足轻武器连续发射的要求。以两级电磁发射器为模型,通过仿真模拟铁磁弹丸的发射过程,结论如下:

①以锂电池供电的两级电磁发射器能够有效推动弹丸向外运动。在未来对枪口初速有要求的情况下,只需适当增加驱动线圈级数。

②在线圈回路呈现阻感特性的情况下,后续多级线圈中的电流上升率是影响弹丸出口速度的重要因素。初级线圈中弹丸的运动速度较慢,电流有能力上升到较大值,随着弹丸运动速度不断加快,在后级线圈中需要不断提升电流的上升率才能有效加速弹丸。本研究中,在发射器第2级驱动线圈匝数分别减小至110匝与70匝时,弹丸出口速度得到了较好的提升。在未来多级发射器的设计中,能以此为基础,实现弹丸出口速度最大化。

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SimulationonLaunchingProcessofIndividualElectromagneticWeapon

XU Lin,ZHANG Jun,DONG Jian-nian

(School of Energy and Power Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China)

2017-04-19

徐麟(1992- ),男,硕士研究生,研究方向为电磁发射技术、脉冲功率技术。E-mail:xhotter@163.com。

张军(1969-)男,副研究员,研究方向为电磁发射技术。E-mail:zhtell800@163.com。

TJ399

A

1004-499X(2017)03-0092-05