同步感应线圈炮实验与仿真研究*

周长军，张 涛，国 伟，樵军谋，范 薇

(西北机电工程研究所，陕西咸阳 712099)

0 引言

相比于化学能发射，电磁发射能够将弹丸加速到更高速度[1]。感应式线圈炮是电磁发射领域的一个重要分支，具有结构简单，设计灵活，电枢和驱动线圈无机械直接接触等优点[2－3]，因而在炮弹发射、导弹发射、鱼雷发射、火箭弹发射、飞机弹射及航天发射等技术领域将具有广泛的军事应用前景[3－4]。

美国桑迪亚国家实验室对同步感应线圈炮进行了一系列深入的研究，成功设计和研制了多个试验装置，验证了计算仿真程序和系统硬件的可靠性，成功的利用35级线圈炮将237g的弹丸加速到 1000m/s[5]。近年来，线圈炮的研究更加多样化，桑迪亚实验室和洛克希勒马丁公司联合进行了导弹弹射缩比样机演示验证，成功将650kg的载荷加速到12m/s[6]，并进行了多任务发射系统概念的研究[7]。这些研究成果使得线圈炮在工程化应用方面向前迈进了重要的一步。

文中详细介绍了小规模4级同步感应线圈炮的设计，目的是为了验证多级同步感应线圈发射能力，测试仿真结果的准确性。利用有限元软件进行了仿真计算，通过对比仿真和实验结果，对系统效率、电枢捕获效应、弹丸等关键因素进行了讨论和分析。

1 线圈炮设计

1.1 驱动线圈设计

线圈炮设计要求包括现实中易得的材料和硬件设备，装配简单，易于安装和拆卸，在设计过程中能够重复使用，系统集成度较高。同步感应线圈炮发射系统包括驱动线圈、脉冲功率电源、测控系统和弹丸。

图1为同步感应线圈炮发射系统原理示意图。线圈炮身管由多个相同口径的同轴线圈串列而成，每级线圈由各自电源同步激发放电。电能储存在电容器中，当光纤传感器检测到弹丸的位置时，激发控制系统在适当的位置触发开关，驱动线圈内通入脉冲电流，弹丸线圈在变化的磁场中产生了感应电流。电枢的径向磁场分量和弹丸的周向电流相互作用，产生了推动弹丸的作用力，多级线圈逐级加速，直至弹丸出膛。

图1 同步感应线圈炮原理图

该发射系统的设计要求是:在脉冲电源最大储能为0.2MJ的条件下加速外径为60mm的弹丸。根据脉冲电源的形式和设计目的，初步采用四级线圈发射器。四级线圈首尾相连形成一个整体身管，每个驱动线圈为独立的模块结构，这样便于进行诊断和更换，以减小对剩余系统的影响。单级线圈的原理如图2所示，它由内筒、线圈、绝缘材料和包封组成。内筒由环氧材料制成，一方面用来引导弹丸运动，另一方面对驱动线圈和弹丸起绝缘作用。当驱动线圈通入脉冲电流时，线圈的径向力被约束在外部的包封装置中，线圈的轴向力经过外部包封装置传到了炮尾的支撑结构。

图2 单线圈结构原理图

随着弹丸速度的增加，需要减小电流的上升时间，而电流的上升时间与驱动线圈的电感和电源的电容有关，因此，较为方便的作法是减小每级线圈的匝数。理想的线圈应具有较薄的径向厚度和较短的轴向长度[3]。较薄的径向厚度是为了增加驱动线圈和弹丸之间的磁耦合，这样能够增加系统的效率。较短的轴向长度是为了减小弹丸的径向力。在设计过程中，考虑到机械结构和电参数的需要，使得具体设计与理想要求有所不同。在设计过程中充分考虑到实用性和方便性，采用方铜线，可有效减小电流趋附效应和线圈发热。采用了多层线圈是为了增大驱动线圈的电感，减小线圈的峰值电流，在低速时电流上升时间能够与弹丸较好的匹配。线圈的具体参数如表1所示。

表1 线圈参数

1.2 脉冲功率电源

脉冲功率电源包括充电回路和电容器模块。所有的电容器模块都连接到充电回路中。当电容器的充电电压值达到设定值时，继电器自动断开充电回路。

每级线圈由各自的电容器组供电，每个电容器组拓扑结构相同，参数一致。单模块电容器组电路模型如图3所示，电容为1mF，额定电压为10kV。当触发电路输出控制信号接通开关时，电流通过同轴电缆馈接到相应的线圈。每级的电容器组包含1个二极管回路，目的是为了短路线圈，防止电容器反向充电。与二极管串联的电阻是为了减小通过二极管电流的上升时间，保护二极管。

图3 脉冲电源原理图

1.3 激发控制系统

当弹丸在膛内发射时，控制系统实时检测弹丸的位置，在适当的位置触发开关产生磁行波推动弹丸运动。激发控制系统的原理如图4所示，它包含控制器、适配器、光纤传感器组件等。光纤传感器位于相邻的两个线圈之间，具体位置由仿真计算得到。当弹丸到达某级的激发位置时，光纤传感器组件传递1个光信号给适配器，适配器将光信号转变为电信号并放大，控制器将接收到的电信号进行处理，控制电路将光信号转化为电信号输出。当脉冲电源的开关接收到来自控制系统的控制信号时，开关被触发，相应线圈就被激发。

图4 控制系统原理图

1.4 弹丸设计

弹丸对发射性能具有重要的影响[8]。由于圆筒型弹丸易于分析和设计，在试验中经常使用。由于弹丸在发射时不仅要受到推动力，还要受到径向的压缩力，因此在弹丸内部需要填充一定的绝缘材料。螺线管弹丸是将细导线绕制在PVC绝缘管上，在末端进行焊接。采用了两种形式的电枢:一种是圆筒型弹丸，质量分别为0.65kg和1kg，导体厚度均为6mm;另一种是绕线型弹丸，共80匝，质量为1kg。

2 线圈炮性能研究

2.1 仿真计算

由于仿真计算可以有效的降低成本，提高效率，因此通常利用仿真估计复杂系统的性能。利用二维有限元仿真软件建立了四级线圈炮系统模型[9]。仿真模型如图5所示。在这个模型中仅包含了导电元件，为了得到与实际一致的仿真结果，考虑了级间的耦合效应。外电路仿真模型与脉冲功率电源一致。

图5 仿真模型图

弹丸的形式和质量对触发位置有重要影响，而触发位置最终影响效率。在仿真过程中，为了得到最高效率，对3种弹丸每一级线圈触发位置进行了优化。3种弹丸发射时系统总储能均为84.5kJ。圆筒型弹丸和绕线型弹丸的仿真结果如图6所示。该仿真结果可作为结构设计的参考依据。

2.2 试验结果

根据仿真结果搭建了四级线圈炮发射系统，采用了Rogowski线圈测量驱动线圈的电流，采用了分流电阻测量电容器的电压。采用了红外测速系统测量弹丸的初速。实验结果如表2所示。

图6 电流与速度仿真波形

表2 试验结果

1kg圆筒型弹丸实际测得的第2级和第3级试验电流曲线如图7所示。

图7 试验电流曲线

3 实验分析

3.1 系统效率

相比于仿真结果，实验测得的弹丸初速较低。对于1kg的圆筒型弹丸，仿真计算的速度为112m/s，系统效率为7.4%，实际测试的结果为92m/s，系统效率为5.0%。导致这种差别的主要因素为:材料的属性不确定，忽略了电枢的欧姆热，电路的参数在发射过程中是变化的。

由实验可知，0.65kg弹丸的系统效率为6.0%，高于1kg弹丸的效率，这表明对于一定的储能，发射系统存在一个最优效率。由于这两种弹丸的厚度相同，有效加速部分相同，而1kg弹丸的寄生质量大于0.65kg的寄生质量，寄生质量影响了整个系统的性能，因此1kg弹丸的系统效率受到了影响。

相比于其它电磁发射装置，例如电磁导弹弹射系统，该装置效率较低。其中一个重要的因素是磁耦合程度较低。驱动线圈的多层结构降低了驱动线圈和弹丸之间的耦合，减小了系统的效率。未来的研究应重点关注如何提高系统效率和增加驱动线圈和弹丸之间的耦合。

3.2 电枢捕获效应

由图6可知，1kg圆筒型弹丸具有明显的电枢捕获效应。当弹丸的速度达到最大值后，有一个明显的下降，直到下一级激发时重新上升。这主要是由于弹丸在运动过程中受到一个反向的拖拽力。弹丸的受力可表示为:

式中:Id为线圈电流;Ip为弹丸电流;M为互感;x为位移。

由式(1)可以看出，弹丸的受力正比于线圈电流、弹丸电流和驱动线圈和弹丸线圈之间的互感梯度。电路的拓扑结构决定驱动线圈电流是正向的，当弹丸通过线圈中心线后，电感梯度也是正向的。因此，拖拽力主要是由于感应电流的反向产生的。当发射大质量弹丸时，电流的上升时间与弹丸的加速时间不匹配，磁场的减小在电枢中感应了大的反向电流，从而产生了较大的拖拽力。对于大质量的弹丸，可以增加电源系统的能量，提高弹丸速度，减少磁场对弹丸的影响，减小拖拽力。由图6还可以看出，绕线弹丸的电枢捕获效应不明显，这主要是由于绕线式弹丸感生电流比较均匀，峰值电流密度小，磁场对弹丸的影响较小，因此拖拽力较小。

3.3 弹丸

进行了两种形式的弹丸测试。由图6可以看出，相比于圆筒型弹丸，绕线型弹丸具有较高的效率。这主要由于趋肤效应影响了圆筒型弹丸的电流分布，导致了额外的欧姆热，影响了系统效率。螺线管弹丸电流分布均匀，能够减小局部发热，性能较好。但是这种电枢设计较为困难，在绕制完成后必须在尾部进行短路。对螺线管弹丸进行了试验研究，结果表明，当电容器充电电压达到4000V时，螺线管弹丸在弯折处发生了断裂，表明螺线管线圈在发射过程中感生了较大的电流，整体结构须承受巨大的作用力。这种弹丸需要进一步进行分析和重新设计。虽然圆筒型弹丸效率略低，但是比较容易加工和实现，因此圆筒型弹丸可继续应用于后续研究。

4 结束语

文中描述了四级线圈炮发射系统的组成以及设计要求，搭建了四级线圈发射器，脉冲功率电源，激发控制系统。通过实验验证了多级发射的能力，测试了仿真计算的准确性。

对两种电枢进行了仿真和实验。利用该发射系统将650g的圆筒型弹丸加速到125 m/s，效率为6%，将1kg的圆筒型弹丸加速到92m/s，效率为5%。试验结果证明了该发射系统的发射能力，验证了模型的准确性和可行性，为下一步大规模多级发射器的设计提供了工程基础。

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