串联增强型六极轨道电磁发射器分析与仿真*

舒 涛,薛新鹏,刘 明,杨志勇,梅 朝

(1 空军工程大学防空反导学院,西安 710051;2 94746部队,南昌 330000)

0 引言

自从上世纪80年代使用多轨道电磁技术成功发射多抛体[1],世界各国持续对电磁发射技术进行广泛而深入的研究[2-4]。轨道炮具有加速抛体至超高速的潜力,采用高密度储能系统,脉冲电源能对电磁轨道炮提供6 MA的电流,同时,大脉冲电流可能会达到一个危险水平,这将导致等离子体跃迁[5]。高电流密度的结果是烧蚀的轨道,从而降低发射能量利用效率。事实上,串联增强型轨道炮,包括两种基本类型:平面增强和叠加增强型,其可以降低电源电流的要求和提高发射效率[6],然而,所有的串联增强型轨道炮在发射过程中都面临恶劣电磁场环境,限制其抛体向智能化方向发展[7-8]。如此强的磁场会破坏抛体电子元件的工作性能,因此,屏蔽串联增强型轨道炮的强磁场是很有必要的。

基于传统电磁发射器在发射过程中,不能解决电磁屏蔽的背景问题,文中提出了一种新型电磁发射器:串联增强六极轨道电磁发射器,发射器通过环向磁场与正交环向电流相互作用产生轴向加速力。使用串联增强型六极轨道不仅解决大质量驱动问题,还有效地提供了中心区域的磁屏蔽。

1 发射模型的特性

发射智能弹药的串联增强型六极轨道电磁发射器如图1所示。该发射器主要由串联增强六极轨道和双抛体组成,六极轨道和抛体材料分别是铜和铝。串联增强型电磁发射器包括双六极轨道和两个独立的抛体,两个六极轨道堆叠排布,且每个都与独立的抛体相连接,并被绝缘空间相分离。轨道和抛体的结构在X-Y平面是对称的,双抛体运动方向是Z轴。考虑到实际情况,外部设备的能源系统能够提供大而快的电流脉冲,应用于串联增强型电磁发射器。

1.1 双六极轨道设计

串联增强型六极轨道的设计不仅增加了电感梯度,而且还起到引导和固定双抛体的作用,这种电磁发射器的关键技术是双六极轨道的结构设计,串联增强型六极轨道的布局如图2所示,串联增强型六极轨道是60°圆周等间距布局,随着对称电流流入,双六极轨道产生6对相邻的反向磁场,因此,在中心区域,电磁场彼此抵消。传统轨道电磁发射系统需要大电流以获得足够的驱动力并达到超高速,然而,这在实际工程应用中使用如此大的电流是非常困难的,这在很大程度上限制了常规轨道电磁炮的使用。由于通过串联的六极轨道增加了磁场强度,在通入较低电流情况下,使用串联增强型六极轨道电磁发射器能够提供等效的电磁驱动力。

1.2 双抛体设计

双抛体的设计如图3所示,鉴于串联增强型六极轨道的结构设计,其电流的流动方向是沿导弧,梅花状抛体的设计,一方面是为了降低系统重量,另一方面是引导电流,特别地,内侧六极轨道不能产生环向磁场在抛体#2中。在串联增强配置中,内侧六极轨道通过梅花状抛体#1形成回路,同样地,外侧六极轨道通过梅花状抛体#2形成回路,并通过一个交叉连接形成内、外侧六极轨道之间的回路。电流在串联增强轨道中流动,产生一重要环向磁场围绕在双抛体周围,梅花状抛体在内、外电路中是相互独立的,双抛体的中空设计有利于固定和发射火箭。

2 六极轨道环向磁场构型

2.1 典型构型

在结构上,传统增强轨道炮可以看作是一对串联增强轨道电磁发射器,串联增强六极轨道电磁发射器可视为一个多重增强轨道炮的叠加。对于传统增强轨道炮,其两对导轨的电流必须是相反的,两个轨道通过抛体形成一个电流回路并在运动区域提供相同方向的磁场,这是电磁推进的必要条件,而这种必要条件限制了传统轨道炮只有一种磁场构型。同时,串联增强型六极轨道电磁发射器可以通过改变每个轨道的电流方向来产生一系列的磁场构型。

针对串联增强六极轨道电磁发射器,图4展示了3种典型串联增强六极轨道的连接方式,其中轨道流出的电流用粗线表示,轨道流入的用细线表示。为了确保径向力的对称性,电流不对称的配置不予考虑。同时,为了满足系统回路的要求,6对轨道不能同时产生向内或向外的电流,因此,只有A、B、C 3种构型满足这一要求。

2.2 仿真结果与分析

首先分析磁场分布,选择抛体#1上下表面1 mm处作为截面磁场。3种构型的磁场强度云图具体如图5所示,从上到下依次为A、B、C 3种构型,其中左侧为抛体#1上表面1 mm处截面磁场强度云图。在轨道截面电流是200 kA的情况下,3种构型产生的最大磁场分别为4.13 T,4.11 T和4.03 T,无一例外,最大磁场均出现在六极轨道和抛体之间接触表面。如果相邻轨道的电流方向相反,则可以增强轨道周围的磁场强度,这种现象在B和C构型的磁场分布中可以清楚地观察到。相比于其它两种构型,A构型轨道周围六边形边界区域的磁感应强度最大,而中部区域的磁感应强度最小。这表明,A构型在双抛体运动区域中可以收敛磁力线,并有利于双抛体的加速。此外,对比抛体#1上表面1 mm处的磁场强度云图,A构型磁场强度衰减最快,B和C构型其次,即在沿轴向方向上,磁场变化最为迅速的是A构型,相应地,对六极轨道和双抛体之间的互感梯度也是最大的,所有这些优势都是为了加速抛体。从磁场的分布来推断,A构型的加速度性能最好,而B、C构型则逐渐减弱。

从磁力线重接的角度来看,两轨道的间距应该尽量减小,以使磁力线最短,和磁阻最小。同样地,在串联增强的六极轨道构型中,为了减少磁阻,相邻轨道的磁力线方向应该通过中间导弧形成闭合回路,A构型的每根轨道和相邻轨道电流流向均是反向的,磁力线重接最容易实现。然而,B和C构型的磁力线重接难度逐步增加。

3 数值模拟仿真

3.1 电源电路模块

不同于线圈或环向场电磁发射器对初始放电位置有严格限制[2],串联增强六极轨道电磁发射器不需要复杂的控制系统并简化了电源电路的复杂性。A构型的串联增强六极轨道电磁发射器电子元件布置具体如图6所示,轨道的编号从11开始,代表的含义是内部的第一极轨道,六极轨道顺时针方向排列。串联增强六极轨道电磁发射器为获取大电流脉冲放电,能源系统采用高能量存储电容。D是续流二极管,R(t)是轨道回路的动态电阻,轨道#11到轨道#26为串联增强六极轨道的自感,D11、D13和D15的功能是为了分别控制轨道#11、轨道#13和轨道#15的电流方向。同样地,D21、D23和D25的功能是为了分别控制轨道#21、轨道#23和轨道#25的电流方向。

3.2 双抛体的轴向加速力

无论是抛体#1还是抛体#2,其轴向加速推进作用思想是一样的,在获得多脉冲电流的情况下,串联增强六极轨道电磁发射器可视为许多独立的线性导体产生的多个环向脉冲磁场。由于串联六极轨道的空间关系和双抛体的外形设计,所以抛体电流沿环向方向。串联增强六极环向磁场与正交环向电流相互作用产生轴向安培力,通过MAXWELL三维有限元软件仿真模拟,环向磁场矢量和正交环向电流矢量具体如图7所示,在梅花状抛体中,环向电流的方向与六极环向磁场均是正交的。

由于磁场的方向与电流的方向相互垂直,因而六极环向磁场与正交环向电流相互作用产生巨大的轴向推进力。在串联增强六极轨道通入200 kA电流的情况下,抛体所受推进力具体如表1所示,其轴向推进力为1.465×105N,然而,干扰力force_x和force_y相比于推进力是非常小的。

3.3 磁场屏蔽

本电磁发射器的磁场屏蔽思想,是串联增强六极轨道在运动区域磁场互相抵消的结果,在轨道的内部,弱磁场被限制在特定的圆柱范围内。

表1 串联增强型抛体所受推进力

在多脉冲电流的峰值时刻,串联增强六极轨道电磁发射器在X-Z平面的磁场分布如图8所示,串联增强六极轨道电磁发射器的最大磁感应强度是4.13 T,出现在六极轨道和双抛体之间的接触面上,然而,在双抛体的运动区域,最大磁感应强度为0.24 T。

4 结论

文中提出了一种新型串联增强六极轨道电磁发射器,并对其进行理论分析和数值仿真,电磁推进力的作用思想是环向磁场与正交环向电流相互作用产生轴向加速力。基于轨道电流流入的对称性,提出A、B、C三种电流流入构型,数值仿真结果表明,A构型的磁屏蔽效果优于其它两个构型,并将有助于智能弹药的发射。串联增强六极轨道电磁发射器具有推力大、发射智能弹药等优势。