圆膛电磁轨道炮凹轨截面优化及电磁性能分析

刘勇，张涛，苏子舟，陈彦辉，国伟，范薇

(西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099)

电磁轨道炮通过强电磁力推动弹丸实现高速运动,能够突破传统火炮理论极限速度,具备极强的军事应用前景[1-3]。弹丸的超高速发射需要导轨加载强脉冲电流,保持弹丸在膛内高速滑动电接触稳定性,最终实现弹丸的高效、可靠发射。针对上述问题,通过对电枢、导轨以及枢轨匹配优化开展了大量研究,以提升电磁发射性能。

针对电枢结构优化设计,学者们主要通过电枢臂结构(曲面、曲臂、长度和尾翼厚度等)、喉部半径、整体结构形状等方面优化枢轨接触力、接触面积、接触电流密度[4-6]。在枢轨匹配性能研究方面,针对矩形内膛电磁轨道炮,陈立学等[7-10]研究了电枢和轨道相对结构参数变化对电磁发射性能的影响,并给出了枢轨匹配优化设计方案。李军[11]提出通过电流线密度表征电磁轨道炮发射性能,电流线密度为加载电流幅值与枢轨接触横向(横向为垂直与电枢轴向运动方向)尺寸的比值。电流线密度大小反映了电磁轨道炮的轨道电流集中程度,电流线密度过高会导致轨道熔化。目前针对导轨结构优化设计研究,主要是针对具备凸轨、平轨和凹轨结构的电磁轨道炮电磁发射性能进行对比和研究,研究结果表明,凸轨结构具备更优的电磁发射性能[12],目前主要采用的轨道结构为凸轨或平轨。Challita在圆膛电磁轨道炮的发射试验中,多次观察到了电枢旋转的现象[13]。对于旋转电枢型电磁轨道炮,唐波等对其发射原理进行了研究和试验[14],刘勇等进一步对旋转电枢和圆膛电磁轨道炮结构参数变化对发射性能的影响进行了研究[15-16]。相比于采用凸轨和平轨内轨结构的电磁轨道炮,圆膛电磁轨道炮弹丸消极质量更小,弹丸外弹道飞行更稳定,并且借助电磁驱动弹丸旋转技术[14-16],更进一步提升电磁轨道炮射击精度。但是目前针对圆膛电磁轨道炮凹轨截面优化及电磁性能分析研究较少。

为更进一步提升圆膛电磁轨道炮枢轨匹配和电磁发射性能,笔者对具备常规凹轨截面电磁轨道炮的电磁性能进行了分析,针对设计中出现的难题提出了一种Z型截面凹轨结构设计方案,并对其电磁性能进行了分析,得到了新型截面结构优化设计方案;并对两种不同截面结构电磁轨道炮电磁性能进行了对比。

1 计算模型

笔者采用数值仿真的方法,分别对具备不同凹轨结构的常规电磁轨道炮和双轨增强型电磁轨道炮电磁性能进行计算,研究结构参数变化对电磁性能的影响规律,圆膛电磁轨道炮口径为60 mm。

常规和双轨增强型圆膛电磁轨道炮截面结构示意图如图1所示,双轨增强型电磁轨道炮相比于常规圆膛电磁轨道炮,增加了两根外轨,外轨尺寸均为10 mm×30 mm。内轨均采用相同的凹轨结构设计方案,内截面宽度L可表示为

(1)

式中:凹轨背面宽度w=160 mm;内膛直径R=60 mm;d为凹轨间距。

在数值计算中,针对不同结构电磁轨道炮,均采用相同的电枢,采用文献[14-16]中的结构设计方案,电枢横截面结构示意图如图2所示。电枢头部直径小于内膛口径,尾翼直径等于内膛口径,保证尾翼与内膛完全接触,头部与内膛轨道分离,通过尾翼与轨道接触传导电流。

电枢三维结构示意图如图3所示,电枢尾翼均布6条裂缝,裂缝长度为50 mm,宽度为1 mm。

数值计算中,轨道采用铝合金,电导率为3.8×107S/m,电枢采用铝合金,电导率为5.8×107S/m。采用有限元仿真软件ANSYS进行计算,模型采用瞬态求解器求解电枢的瞬态电流和电磁力分布,不考虑速度趋肤效应,设置电枢与轨道静止。加载电流波形如图4所示,驱动电流先急剧增大后趋于平稳,电流加载时长为1.5 ms。

2 电磁发射性能分析

2.1 电磁发射性能随轨间距的变化

轨间距d为15、35、50 mm时,常规型和双轨增强型电磁炮枢轨接触面电流密度最大值随电流加载时间的变化如图5所示。

由图5可知,两种类型电磁炮枢轨接触面电流密度最大值随电流加载时间的变化规律一致,电流最大值出现在电流加载上升沿。所以,在电枢运动起始时刻,电枢运动速度较慢,电流密度较大,更容易造成电流聚集区域的融化磨蚀。

常规型和双轨增强型电磁轨道炮电枢电磁力随轨间距的变化如图6所示。

由图6可知,针对两型电磁轨道炮,电枢电磁力随轨间距的变化规律一致。电磁推力随轨间距的变化呈线性增加趋势,电磁压力最大值随轨间距呈现先减小后增大最后再减小的变化规律。电磁推力的增大能够有效提升发射效率,电磁压力能够有效保持枢轨滑动电接触稳定性。所以轨间距的增大有利于提升电磁力,进而提升电磁发射性能。

枢轨环向接触长度和电流线密度随轨间距的变化规律如图7所示。由图7可知,随着轨间距的增大,枢轨环向接触长度急剧减小,电流线密度随之急剧增大。由文献[11]可知,电流线密度是表征电磁轨道炮性能的重要参数,电流线密度过大会导致轨道融化和电磁轨道炮“膛压”的急剧增大,所以轨间距的增大不利于电磁发射性能的提升。

两型电磁轨道炮的枢轨接触面电流密度最大值随轨间距的变化规律如图8所示。由图8可知,两型电磁轨道炮电流密度最大值随轨间距的变化规律一致,均随着轨间距的增大呈现先增大后急剧减小再缓慢增加的变化过程。并且当两型轨道炮枢轨接触面电流密度最大值均达到最小时,轨间距均为35 mm。

综上所述,轨间距的增大能够提升电磁力,但同时也会导致枢轨环向接触长度的急剧减小,电流线密度的急剧增加。常规凹轨截面结构优化存在一定局限性,通过轨间距d的变化不能在提升电磁力的同时保持或降低电流线密度。所以,针对常规凹轨截面结构,轨间距d选择35 mm。

2.2 凹轨结构参数变化对电磁发射性能的影响

2.2.1 凹轨截面结构优化设计方案

两型电磁轨道炮截面结构优化设计方案如图9所示,凹轨内截面采用Z型结构设计方案,轨间距分别为d1和d2,内轨截面宽度分别为L1和L2,其中L=L1+L2。另外,当d=d1=d2时,Z型凹轨截面结构退化为图1所示的圆膛结构。

2.2.2 电磁发射性能随d2的变化

在第2.1节研究的基础上,结合图9可知,不改变d1的大小,保持枢轨环向接触长度和电流线密度不变,保持d1=d=35 mm,L1=L2,电磁力最大值随轨间距d2的变化规律如图10所示。由图10可知,电磁推力最大值和电磁压力最大值均随着轨间距d2的增大而增大,可以通过增大轨间距d2的方法,增大电磁推力和电磁压力最大值,提高电磁发射效率和枢轨接触稳定性。综合考虑发射装置口径、轨道厚度和载流面积,轨间距d2拟选择60 mm。

2.2.3 电磁发射性能随L2的变化

优化后的Z型常规电磁轨道炮和双轨增强型电磁轨道炮电磁压力随电流加载时间的变化规律如图11所示。由图11可知,两型电磁轨道炮电磁压力均呈现先减小后增大的趋势,在电流加载起始时间出现反向电磁压力,不利于枢轨接触稳定性。

在轨间距d2=60 mm的基础上,通过改变L2的大小,研究电磁力随L2的变化规律。两型电磁轨道炮电磁压力最小值随L2的变化规律如图12所示,由图12可知二者变化规律一致,当L2<40 mm时,电磁压力为负值,且变化不大;当L2>40 mm时,电磁压力急剧增大,且当L2≥50 mm(常规电磁轨道炮)和L2≥52 mm(双轨增强电磁轨道炮)时,电磁压力最小值为0 kN,未出现反向电磁压力,更有利于提升枢轨在膛内运动接触稳定性。

优化后Z型电磁轨道炮电磁力最大值随L2的变化规律如图13所示。

由图13(a)可知,常规电磁轨道炮电磁推力和电磁压力均随着L2的增大而增大(L2≥5 mm)。由图13(b)可知,双轨增强型电磁轨道炮电磁推力和电磁压力均随着L2的增大而增大,但是当L2≥53 mm时,电磁力达到峰值。L2的增大有利于电磁发射效率和发射稳定性的提升。

综合考虑电磁压力最小值、电磁力最大值随L2的变化规律以及轨道Z型结构结构强度,拟选择电磁压力最小值为0 kN时的L2值为优选方案。

2.3 优化前后电磁轨道炮电磁发射性能对比

在上述分析的基础上,针对图1所示的凹轨结构,轨间距d=35 mm。在此基础上,针对Z型凹轨结构,保持d1=d=35 mm,保持新型凹轨结构与常规凹轨接触具有相同的电流线密度。优化后的Z型凹轨结构参数如表1所示。

表1 优化后Z型凹轨结构参数

两型电磁轨道炮优化前后电磁性能对比如表2所示,表中“优化前”代表常规凹轨结构,“优化后”代表Z型凹轨结构。由表2可知,优化后的Z型凹轨结构能够有效提升电磁推力(常规型和双轨增强型分别提升20.1%和21.3%)和电磁压力(常规型和双轨增强型分别提升57.7%和64.9%),能够有效避免电磁压力反向的出现,优化后的Z型凹轨结构能够有效提升电磁发射效率和枢轨接触稳定性。

表2 两型电磁轨道炮优化前后电磁性能对比

3 结束语

笔者通过对常规凹轨结构优化分析发现,轨间距d的增大能够有效提升电磁发射效率,但是同时也会造成电流线密度的急剧增大,影响电磁发射性能。基于此,笔者提出了一种Z型凹轨结构,通过保持d1=d不变,优化d2、L1和L2的方法,能够在保持电流线密度的同时,进一步提升电磁推力和电磁压力,同时能够避免电磁压力反向的出现。相比于常规凹轨结构,优化后的Z型凹轨结构能够显著提升圆膛电磁轨道炮发射效率和枢轨接触稳定性。