一种基于反向消弧的电磁发射膛口电弧抑制方案

杨帆　陈丽艳　韩洁

摘 要：针对膛口电弧导致的膛口轨道烧蚀和系统的初速精度问题，提出了一种基于反向消弧电源的膛口电弧抑制方案。以固体电枢为研究對象，利用Pspice软件建立了含有反向消弧电源的电磁轨道发射系统的仿真模型，通过仿真模拟实现了正向驱动电流与反向消弧电流的匹配，将仿真结果运用于试验研究当中，试验结果与仿真结果一致性较好。分析结果表明，合理匹配正向驱动电流和反向消弧电流的时序和大小，有助于实现对膛口电弧的有效抑制和电枢的初速精度的提高。

关键词：电磁发射；膛口电弧；反向消弧；初速精度

中图分类号：TM15 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）20-0009-04

Abstract： In view of the problem of muzzle track ablation caused by muzzle arc and the accuracy of initial velocity of the system， a muzzle arc suppression scheme based on reverse arc suppression power supply is proposed. Taking the solid armature as the research object， the simulation model of electromagnetic orbit launching system with reverse arc suppression power supply is established using Pspice software. Through simulation， the matching between forward driving current and reverse arc suppression current is realized. The simulation results are applied to the experimental study， and the experimental results are in good agreement with the simulation results. The results show that the rational matching of the timing and size of the forward drive current and the reverse arc suppression current can help to effectively suppress the muzzle arc and improve the initial speed accuracy of the armature.

Keywords： electromagnetic emission； muzzle arc； reverse arc suppression； initial velocity accuracy

1 概述

在固体电枢电磁轨道发射过程中，电枢出膛时电枢与轨道之间的间隙发生突变，由紧密接触突变成电弧接触，电枢出膛时将在膛口形成膛口电弧。

产生的膛口电弧一般会随机影响电枢出膛速度，降低初速精度。因此，如何有效抑制甚至消除膛口电弧，成为提升电磁轨道发射系统综合发射性能的关键。

膛口电弧的抑制或消除通常采用旁路消弧方式，即用消弧组件与电枢并联在接近膛口处的某一位置，当电枢运动至膛口出现接触阻抗突变时，大部分电流分流至旁路，只有少部分剩余电流从主电路流过，从而使得电枢出膛时电弧减小，实现电弧抑制。但旁路消弧组件的电气参数一经确定，其回路阻抗为一定值，无法有效匹配不同大小的剩余电流及其产生的膛口电弧，也就无法实现有效抑制。本文采用基于反向消弧电源的电弧抑制设计方案，即将消弧电源串入发射主回路，在电磁发射过程中，通过判定膛内电枢运行时间确定是否启动反向消弧电源，利用反向消弧电流与主回路驱动电流的抵消作用，降低出膛时的剩余电流，从而达到消弧的目的。该方案中反向消弧电源的放电电压和延时可根据主回路的电压等级及出膛时刻进行灵活调节，实现消弧过程的合理匹配，有效抑制膛口电弧。

2 膛口电弧抑制综合试验平台

膛口电弧抑制试验在电磁发射综合试验平台上进行，主要组成如图1所示：

电磁发射综合试验平台主要包括电源模块，串联增强型发射器，充电模块，自动供输弹单元，综合测量单元（含膛口电压测量，剩余电流测量等），双光幕测速单元等部件。串联增强型发射器的有效长度为1700mm，发射器采用类圆膛设计，尺寸为Φ12.7mm，发射器内轨采用铜基合金材料，提高耐烧蚀和摩擦磨损强度，增强外轨采用纯铜材料，提高导电效率，电枢材料为铝合金材料（Al6061），电枢为“C”型结构设计，质量根据尺寸区别有所不同，一般为6～10g，80kJ电源由5个模块组成，单模块电容容量为5120？滋F，调波电感为1.5？滋H，最高运行电压为2.5kV，发射时轨道可实现的电流峰值范围为200～250kA，膛口串入的反向消弧电源的各项参数与主回路单模块电源相同，电磁轨道发射综合试验平台的主要参数如表1所示：

表1 电磁轨道发射综合试验平台的主要参数

3 发射过程仿真分析

3.1 仿真模型

参照综合试验平台的相关参数，利用Pspice软件建立了全系统电路仿真模型，其单模块PFU单元主要由高储能密度电容器C1，晶闸管开关T1、crowbar二极管开关D1和调波电感L1，以及其他杂散电阻和杂散电感等组成，反向消弧电源与主电路电源形式相同，只是放电形式为反向放电，形成反向电流，且其触发放电时刻较主回路延时900～1200？滋s（根据电枢膛内运行时间进行匹配），单模块PFU单元的电路模型如图2所示：

将多模块电源并联形成电源并联回路，再构建弹丸受力加速的动力学和运动学方程求解电路，集成为运动解耦运算模块（如图3所示）与电源并联回路连接，依据综合试验平台的相關参数对电路模型的各参数进行设置，形成电磁发射系统发射过程仿真模型。

3.2 仿真分析

利用建立的仿真模型进行了仿真。其仿真的基本工作原理为：利用电源并联回路的各模块电源同时正向导通放电，驱动部分串联增强型电磁轨道炮的电枢运动，然后运动解耦运算模块中的求解电路对发射初速，放电电流和运动距离进行求解。共进行2组对比仿真，第一组仿真的充电电压为1800V，第一次仿真只导通正向回路，不导通反向消弧回路；第二次仿真中在电枢即将出膛时导通反向消弧回路，利用反向消弧电流对正向剩余电流进行抵消，最后将两次仿真结果进行对比，验证反向消弧电路的消弧效果。第二组仿真与第一组类似，只是将充电电压提升至2000V，相应提升反向消弧电压。

参照前期试验结果，第一组仿真设置电源回路正向触发放电的充电电压为1800V，电枢质量为6g，不触发反向消弧电源，发射器长度为1.7m，出膛速度预定值为1550m/s。其仿真波形如图4所示：

从图中可以看出，单模块电流峰值为37.63kA，上升时间为223.7？滋s，电枢出膛时间为1409？滋s，发射初速为1549.8m/s，出膛时剩余电流为2.36kA，相关数据与实际试验结果基本相符。

串入反向消弧电源的仿真参数如下：根据第一次仿真的剩余电流大小，设置反向消弧电源的放电电压为1000V，触发延时为1200？滋s，其他各参数与第一次仿真完全相同，其仿真波形如图5所示。

由图中可以看出，反向消弧电源在设定的延时时刻开始放电，且电流方向与主回路反向，从反向消弧电源放电时刻起，正向主回路各单模块放电电流波形的斜率出现了突变，正向电流急剧下降，待出膛时刻主回路各单模块电源正向电流降至0kA，说明反向消弧电源的反向电流与正向电流相互抵消，实现了对膛口电弧的有效抑制。

第二组仿真与第一组参数设置类似，只是将主回路充电电压提升至2000V，其不串入反向消弧电源的仿真波形如图6所示。

从图6中可以看出，单模块电流峰值为41.27kA，上升时间为220.4？滋s，电枢出膛时间为1234？滋s，发射初速为1819.7m/s，出膛时剩余电流为3.13kA，相关数据与实际试验结果基本相符。

串入反向消弧电源的仿真参数如下：根据第一次仿真的剩余电流大小，设置反向消弧电源的放电电压为1400V，触发延时为1000？滋s，其他各参数与第一次仿真完全相同，其仿真波形如图7所示。

由图中可以看出，反向消弧电源依然在设定的延时时刻放电，且正向主回路单模块放电电流波形的斜率出现了突变，正向电流急剧下降，待出膛时刻主回路各单模块电源正向电流降至0kA，同样说明反向消弧电源实现了对膛口电弧的有效抑制，同时证明了反向消弧电压可根据主回路电压的不同等级可进行灵活调节和合理匹配。

4 反向消弧试验

4.1 消弧电源连接方式与试验方法

反向消弧电源连接方式如图8所示。

左部为主回路电源模块，采用负高压多电源并联方式，为电枢提供正向驱动力；右部为反向消弧电源，采用正高压单电源方式，消弧电源正高压输出端经过发射器与主回路模块负高压输出端连接在一起。消弧电源低压输出端经过发射器与主回路模块低压输出端连接在一起，并通过发射器单点接地。当正向主回路触发放电时，反向消弧电路延时触发放电，其放电回路均经过膛内电枢，并因电流方向相反而相互抵消。

试验分为两组进行，每组12发电枢进行发射试验，第一组试验充电电压为2000V，前6发试验不在发射主回路添加反向消弧装置，后6发试验将反向消弧装置串入发射主回路，对12发试验某单次试验的单模块主回路放电电流波形进行对比，并分组统计12发试验的发射初速误差，验证反向消弧装置对膛口电弧抑制的有效性。第二组试验与第一组类似，只是将充电电压提升至2300V，在验证反向消弧装置对膛口电弧抑制的有效性的同时，也验证了反向消弧电压可以针对主回路电压的不同等级进行灵活调节和合理匹配。

4.2 试验结果对比分析

第一组试验中单次的放电电流波形（5模块总电流）局部对比如图10所示：

从图中可以看出，未加反向消弧装置的主回路电源的放电电流波形在即将出膛时刻较为平滑，斜率未出现突变，且在出膛时刻仍存在剩余电流，幅值约为10kA（5模块总电流）；而串入反向消弧装置的主回路电源的放电电流波形受到反向消弧电流的影响，斜率出现突变，且在出膛时刻的剩余电流几乎为0，验证了反向消弧装置对膛口电弧抑制的有效性。

12发实验各6次的膛口初速统计如图11和图12所示。

对图中各组试验的初速数据进行统计得出，未加入反向消弧装置的6次初速的初速误差为14‰，串入反向消弧装置的6次初速的初速误差为1.71‰，从而证明了反向消弧装置在抑制膛口电弧的同时，也有效提升了电枢的初速精度。

第二组试验的单次的放电电流波形与第一组类似，在此不再赘述，发射初速对比分别如图13和图14所示：

图13 第二组试验未加反向消弧装置的6次初速

图中未加入反向消弧装置的6次初速的初速误差为11‰，串入反向消弧装置的6次初速的初速误差为1.82‰，同样验证了反向消弧电源对抑制膛口电弧，提高初速精度的有效性，同时也验证了反向消弧电压可以针对主回路电压的不同等级进行灵活调节和合理匹配。

5 结束语

本文利用反向消弧电源通过与晶闸管串并电气结构与发射器相连，并在主回路导通后通过延时触发反向消弧电源使得电枢出膛前反向消弧电流与主回路电流的抵消，达到对膛口电弧有效抑制的目的。首先通过仿真分析了反向消弧电源与主回路电源放电电流相互抵消的可行性，随后通过两组对比发射试验验证了基于反向消弧电源的膛口电弧抑制方案的有效性，且通过试验数据证明该膛口电弧抑制方案不仅有效抑制了膛口电弧，还间接提高了膛口初速精度，同时反向消弧电压可根据主回路电压的不同电压等级进行灵活调节和合理匹配。

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