六极轨道电磁发射器电枢优化设计与仿真*

刘 明,舒 涛,薛新鹏

(空军工程大学防空反导学院,西安 710051)

0 引言

自电磁发射诞生之日起,人们就一直在进行相关的研究,以便电磁发射方式最终取代传统的化学发射方式[1]。电磁发射方式与传统化学发射方式相比具有初速大、效率高等优点[2]。轨道炮是电磁发射器中最成功的一种工程应用,它的原理和结构较为简单,易于实现[3-6]。近年来,利用电磁轨道发射大质量的物体的研究也取得了较大进展,可加速包括导弹、火箭、卫星、飞机等在内的多种大质量物体[2]。这使得轨道电磁发射的弹丸从常规动能弹扩展到智能弹药[7],弹丸发射过程伴随着很恶劣的电磁环境,特别是轨道炮电流产生的强电磁[8],如此强的电磁场会影响弹丸电子元件的工作性能甚至将其损坏。六极轨道电磁发射器的六极轨道产生的强磁场在轨道中心相互抵消,为智能弹药提供了有效的电磁屏蔽。

电枢是六极轨道电磁发射器的重要组成部件,六极轨道电磁发射器选用的是常用的固体电枢。六极轨道电磁发射器发射智能弹药过程中强大的电流在趋肤效应的作用下仅仅分布在轨道和电枢的浅表层,导致电流在电枢与导轨接触面的某些局部区域过于集中,电流集中将导致局部过热从而发生电枢和轨道表面烧蚀,导致转捩现象发生。通过改变六极轨道电磁发射器电枢的几何结构,可以有效改善电枢和轨道接触表面以及电枢内部的电流分布、焦耳热分布和电磁力分布,从而减少电枢和轨道表面烧蚀以及抑制转捩现象[9]。

文中分析了六极轨道电磁发射器的工作原理,对抛体受力和抛体中磁场屏蔽进行说明,基于Ansoft软件分析得出电枢与轨道接触面由于趋肤效应出现了电流不均匀分布,电枢和轨道部分地方电流集中现象较为严重。针对上述电流过度集中的现象,对六极轨道电磁发射器的电枢进行优化,对优化后的电枢进行有限元仿真分析,得到以下结论:优化电枢可以有效解决电流过度集中现象,并且最大电流密度的最大值也有降低;通过对比发现,在其他条件不变的情况下,优化电枢受力较以前也有提升。

1 六极轨道电磁发射器

六极轨道电磁发射器的模型如图1所示,该发射器主要由六极轨道,电枢和导弹组成。所有轨道的设计是相同的,只是相邻轨道电流方向相反,六极轨道的等间距分布能有效抵御发射过程中的剧烈振动,提高了发射精确度和抗干扰能力;电枢的俯视图如图2所示,电枢的厚度为d,电枢的中空设计是为了放置和固定导弹,将电枢设计成梅花状,一方面是为了降低发射系统重量,另一方面是引导电流走向。

图1 六极轨道电磁发射模型

图2 电枢模型俯视图

1.1 工作原理

在发射过程中,脉冲电压源对120°等间距分布的3个轨道进行放电,通过梅花状电枢连接,电流留回其余的3个轨道形成闭环回路。梅花状电枢获得6组环向电流,六极轨道中电流产生的环向磁场环绕在电枢周围,轨道电流产生的环向磁场与电枢中正交环向电流相互作用,产生轴向安培力,推进电枢带动导弹向外高速发射。由于六极环向磁场在电枢中心相互作用抵消,电磁屏蔽效应得以实现。

若将轨道分为N个微元,每极轨道电流在空间产生的磁感应强度为:

(1)

式中:μ0=4π×10-7N·A-1为真空磁导率;I为轨道电流;r表示空间点距轨道的距离;Δl表示轨道微元的长度。

根据磁场的叠加原理,空间中一点的总磁感应强度为:

(2)

若将电枢分成M个微元,那么作用在电枢上的安培力为:

(3)

其中,Δs为电枢微元的长度。

1.2 有限元仿真分析

根据以上的理论分析可知,电枢中流过的六组环向电流应与轨道电流在电枢区域产生的正交环向磁场正交,从而产生轴向加速力推动电枢带动导弹一起向外运动。利用Ansoft软件可对六极轨道电磁发射器的电枢及轨道进行有限元仿真分析,得到电枢中电流分布和轨道电流产生的磁场如图3、图4所示,电磁屏蔽的效果图如图5所示。

图3 六组环向电流

从图3和图4来看,电枢中的电流分布具有对称性,且电流主要密集分布在电枢靠近轨道的部分。轨道中电流产生的磁场以轨道为中心分布在其周围,磁场的分布也具有对称性,且电枢与每极轨道距离较近处磁场较大。从图5可以看出,在抛体的中心部分,由于六极环向磁场相互作用抵消,电枢中部磁感应强度很小,电磁屏蔽效应得以实现。

发射过程中,电流在趋肤效应作用下汇聚在电枢和轨道表面,导致电枢及轨道接触区域出现电流密度过大的现象,容易导致烧蚀甚至转捩现象发生,影响发射效果,严重的还会导致发射的失败。故对电枢和轨道的电流分布进行有限元仿真,得到电枢表面电流分布和轨道表面电流分布如图6和图7所示。

图4 六极环向磁场

图5 电枢周围磁感应强度分布

图6 电枢表面电流分布

从图6和图7可以看出,电流密集分布在电枢与轨道接触面的下侧。电枢下侧与轨道接触处电流密度最高且分布较广,且轨道电流密度的最大值大于电枢电流密度最大值。

图7 轨道表面电流分布

2 优化电枢模型有限元仿真

针对以上对电枢和轨道电流分布的分析,提出了一种优化的电枢模型,其结构如图8所示,保持电枢的大体形状及厚度d不改变,在电枢和轨道接触的下侧突出一部分,突出部分长度为d,底端厚度为0.3d,并且做到弧面与电枢底部光滑连接。

图8 优化电枢模型

在保持电流、材料等所有条件不变的前提下,更换优化后的电枢进行有限元仿真,可求得电枢所受安培力的大小及方向,并将其与原电枢的安培力进行对比,结果如表1所示。

表1 优化前后推进力对比

简单的计算后发现,在其他条件不变的条件下,电枢推进力增加了10%,这是增加电枢的体积和更加合理的电流的必然结果。

通过有限元分析同样可获得电枢表面电流密度分布和轨道表面电流密度分布如图9和图10所示。

图9 优化电枢电流密度分布

图10 轨道电流密度分布

将具有优化电枢的六极轨道电磁发射器与之前的对比发现,电枢上最大电流密度有降低,而且分布不像原电枢那么密集,红色区域更小。轨道较之前电流密度最大值下降幅度较大,且电流密度最大值所处位置发生了改变,之前电流密集分布的地方现在变得很正常,都不再显示红色。具体对比如表2所示。

表2 优化前后仿真结果对比

3 结论

文中分析了六极轨道电磁发射器的工作原理,通过Ansoft软件建立六极轨道电磁发射器模型并对其进行仿真分析,验证了理论分析的结论,同时也得到了电枢和轨道电流密度分布的仿真结构。将电枢结构做了改变,在保持其他条件不变的前提下再次仿真,将结果与之前的进行对比,通过对比得到结论:优化后的六极轨道电磁发射器电枢和轨道最大电流密度较原模型都有降低,且分布密集程度下降,大电流聚集区域减小。优化后电枢的推进力也有10%的提升。