轨道炮消弧器结构设计及电磁特性分析

裴朋超，王剑安，曹 斌，李明涛，葛 霞

(1.西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099；2.中央军委装备发展部装备技术合作局，北京 100000)

电磁轨道炮作为一种新概念动能武器，相较传统火炮具有炮口初速高、射程远及控制简单等诸多优势，在国内外受到各国军方的广泛关注，在未来具有极高的军事应用价值[1-2]。轨道炮利用电磁力发射弹丸,理论计算结果表明轨道炮的发射效率不超过50%，目前美国最新的脉冲电源系统储能最高可达100 MJ，但试验数据显示发射效率却在30%左右，这表明在发射结束时刻轨道内会残留大量能量[3]。这些残留的电能将以炮口电弧的方式消耗掉，试验数据表明炮口电弧温度可达20 000 K，将对发射系统中轨道和绝缘材料造成严重烧蚀，同时炮口电弧会产生巨大的闪光、电磁辐射及声响等，将严重影响到作战隐蔽性。

目前，在炮口安装分流装置是消除炮口电弧的有效手段。Parker等通过在炮口串联电感，借助磁通压缩可以有效地抑制炮口电弧，通过与发射器系统匹配合适的电气参数可以有效降低炮口电流[4]。国内何勇等利用导通时阻抗极低的外触发开关使残留电能流经消弧装置，较好地消除了炮口电弧[5]。唐波等分析了被动式消弧装置的工作原理，设计出一种被动式消弧装置，并对其进行了优化设计[6]。杨帆等针对膛口轨道烧蚀和系统的初速精度问题，提出一种基于反向消弧的电磁发射与膛口电弧抑制方案，试验取得了较好效果[7]。

消除炮口电弧对提高轨道炮寿命、轨道抗烧蚀及战场需求都具有重要意义，笔者通过建立包含消弧器的电磁轨道炮发射电路，利用参数匹配指导消弧器结构设计，基于分流方式设计被动式消弧装置，并建立消弧器的数值计算模型，对消弧器在弹丸出炮口时刻的电磁特性进行模拟，根据数值仿真结果再进一步完善结构设计，对后续消弧器的设计过程提供一种方式。

1 消弧装置电路模型

搭建包含消弧器的电磁轨道炮内弹道电路模型，如图1所示。图中UB为炮尾接入电压，Ua为电枢电压，x为电枢距离炮尾长度，lg为轨道总长度，Iall为炮尾总电流，Ia、Is分别为流经电枢和消弧器分电流。

将整个电磁轨道炮发射过程分为电枢膛内运动和电枢出炮口两个阶段。

电枢膛内运动阶段电路模型如图2所示，L0和R0分别初始时刻电枢后端回路的电感和电阻，L′和R′分别为轨道电感梯度和电阻梯度，Ls和Rs分别为消弧器自身电感和电阻。随着电枢运动，电枢后端回路的电感L′x和电阻R′x快速增加，同时电枢前端回路的电感L′(lg-x)和电阻R′(lg-x)则迅速减小，由于磁通压缩便在消弧回路中产生感生电动势，进而感生电流汇聚到电枢上，在一定程度抵消了消弧器部分分流电流。

由于电磁发射所用电源为脉冲电源，可设电源由n个模块组成，每个模块电容为Ck，初始电压为Uck，电感为Lk，其中k=1，2，…，n，则电源系统可表示为

(1)

当Uck≤0时，令Uck=0，发射系统的电路方程为

(2)

(3)

Ua=IaRa，

(4)

Ia=Iall-Is，

(5)

式中,v为电枢沿轨道方向运动速度。

电枢出炮口阶段电路模型如图3所示，在电枢出炮口瞬间，枢轨分离界面产生大量等离子体和金属气体，此时电流将通过等离子体和金属气体传递，表现为炮口电弧的形式。

设该炮口电弧电阻为Rc，仍用Ia表示流经Rc的电流大小，可认为Ia为炮口残留电流，有

(6)

(7)

由于磁通压缩，作用在电枢上的电磁力为前后磁场的叠加，有

(8)

(9)

式中：F为作用在电枢上的电磁力；ma为电枢质量。

联立式(1)～(9)，可求出电磁轨道炮发射过程中的整个内弹道过程。

2 消弧装置结构设计

2.1 消弧装置分类

基于分流工作方式的消弧器主要有主动式和被动式两种[6]。主动式消弧器一般采用低阻抗的外触发开关在电枢出炮口时刻导通消弧器回路，由于需要准确确定触发时刻，系统中需包含反馈单元等，造成整体系统复杂，可靠性降低。被动式消弧器时刻接通轨道正负极，一般选用低电感大电阻电气参数，结构组成较主动式消弧器简单，系统简单，可靠性较高；将正负极轨道在接通后，可以在电枢前部压缩磁通，当消弧器与发射器系统电气参数匹配合理时，弹丸在前后磁场作用下所受电磁驱动力更大，同时减小炮口残余电流，并在回路可以续流，削弱电弧能量。

被动式消弧器首先是基于磁通压缩现象，在发射过程中，消弧器回路电感随着电枢的移动迅速减小，进而在消弧器回路中产生的感生电动势会增加流经弹丸的电流，从而抵消一部分消弧器分流电流；继而是续流原理，由于消弧器时刻接通正负导轨，在弹丸出炮口瞬间，轨道中残留电流将流经消弧器，经过自身的电阻消耗掉。

2.2 被动式消弧装置结构设计

基于被动式消弧方式，消弧器沿发射方向上下、左右对称布置，在炮口通过一圆环结构连接正负导轨，结构自身具有一定的电感和电阻。设计的新型被动式消弧器结构如图4所示。

3 消弧器数值模型建立

为分析所设计消弧器的电磁特性，利用有限元软件建立消弧器的数值模型并分析其电磁特性。

3.1 数值分析模型建立

在ANSYS中建立消弧器及轨道的有限元模型，模型示意如图5所示，主要组成包括上下轨道、消弧器、近端空气和远端空气4个部分。所建模型中，轨道长度300 mm，轨道高度20 mm，两轨道之间距离40 mm，轨道宽度30 mm，消弧器外径180 mm，内径160 mm，长度100 mm，外空气的厚度均为20 mm.

3.2 材料属性

该数值模型中，上、下轨道采用铜材料，消弧器采用不锈钢材料，对远端空气和近端空气只需设定相对磁导率为1即可，材料属性参数如表1所示。

表1 材料属性参数

3.3 定义单元类型和网格划分

该分析模型采用三维基于节点的磁矢量位与磁标量位联合使用的瞬态分析方法。磁矢量位分析模块选用SOLID97电磁场单元，主要包括轨道、消弧器和近端空气3个部分；磁标量位分析模块主要指远端空气部分，选用SOLID96单元；用单元INTER115划分矢量位和标量位界面。采取自由网格划分的方法，为加快仿真速度，可以将重点关注的消弧器网格划分较密，网格划分完成后的消弧器轨道连接有限元模型如图6所示，共包含58 352个节点，52 368个单元。

3.4 施加边界条件及载荷

3.4.1 边界条件

将远端空气的最外层定义成单元IFIN11来作为分析模型的边界条件，同时定义矢量位和标量位的分界面(INTER115单元所在的界面)上的矢势的垂直分量为0.

3.4.2 加载电流

根据某次电磁发射数据采集，轨道中的电流和电压变化如图7所示。从图7可知，当t≤3 ms，电压一直处于上升阶段并达到峰值电压，电流幅值最大且处于平稳阶段；当t>3 ms时，电流和电压同时下降；根据弹丸位置信号反馈，当t≈3 ms时，弹丸出炮口。弹丸出炮口时刻，上下轨道间存留电压值为2 kV，炮口残留电流值为260 kA.在仿真模型中只需加载其中一种载荷即可，笔者选择施加电流载荷，于是先耦合上轨道左端面所有节点的电压(VOLT)自由度，并将电流(AMPS)加到这个端面的任意点上，最后定义下轨道左端面节点的电压自由度为0[8].

4 电磁性能分析

4.1 消弧器阻抗特性分析

经有限元仿真计算，消弧器的电感为0.15 μH，电阻为4 mΩ.

4.2 消弧器电流密度及焦耳热分布

消弧器的电流密度分布将直接影响其单位体积内的焦耳热，如果电流路径不合理，可能会导致消弧器局部过热，严重时在电磁力的作用下会熔断消弧器导电体，造成消弧效果失效。有限元分析电流密度(JT)分布情况和焦耳热(JHEA)分布情况如图8所示，比较发现，两种分布特性基本一致，其中电流密度总在消弧器导体拐角内圆处要大于外圆处，这与电流的趋肤原理符合。

从消弧器电流密度分布云图可看出，消弧器的电流密度在导体拐角内圆处大于外圆处，这主要是由于电流总是沿着路径最短、电阻最小处传递的原理。由于焦耳热与电流的平方线性相关，因此单位体积内产生的焦耳热与电流密度分布一致。

4.3 消弧器所受电磁力分布

提取消弧器各个方向的电磁力分布云图，如图9所示，可看出整体结构所受电磁力在径向呈对称分布，当电流流向相对时，导体间的电磁力表现为斥力作用，且电流密度大的导体受力大于电流密度较小的导体；沿轨道发射方向，由于结构不具有对称性，且在径向有一等效圆环路径，当电流通过时，在磁场作用下，消弧器受一整体向前的驱动力。

利用ANSYS的自动求和功能提取消弧器整体结构所受电磁力大小及分布情况，如图10所示，可知消弧器沿身管发射方向的电磁力最大，为45 647 N，沿着径向指向y、z方向的力分别为238 N和312 N，在径向y、z方向的力主要是由于网格划分不对称引起的，可以忽略不计。可看出消弧器其径向受力基本对称，由于沿身管发射方向消弧器结构不对称，在电枢出炮口瞬间，轨道中的电流全部流向消弧器，此时消弧器可看做是一个电阻较大的电枢，因此其沿身管发射方向的电磁力较大。

由于消弧器结构在径向具有对称性，因此沿径向所受的电磁力方向相反，相互抵消，整体上结构在径向不对外呈现电磁力，此时消弧器在径向所受电磁力可理解成内力，通过提取1/2结构沿径向受力情况，可知消弧器沿径向指向y、z方向的力分别为137.4 kN和67.2 kN.y向电磁力之所以是z向电磁力的2倍，主要原因是y向的磁场强度By是z向的磁场强度的2倍，由于电流在y、z向的路径基本一致，且电流大小相同，通过分别提取y、z向的磁场强度并求和，得知By=8 152 N，Bz=3 717 N.

弹丸出炮口瞬间，消弧器上产生的电磁力将拖拽消弧器沿发射方向移动，沿径向电磁力将使消弧器产生径向变形，因此必须在结构设计中克服电磁力对消弧器的影响。

5 结论

消弧器可以有效抑制炮口电弧的产生，对保护轨道避免轨道烧蚀具有重要意义，通过建立包含炮口消弧器的轨道炮电路模型，分析消弧器与发射系统的电气匹配关系，进而指导消弧器结构设计。

利用ANSYS有限元软件，建立消弧器轨道系统的数值分析模型，并将实际测试数据中电枢出炮口瞬间的电流值作为载荷施加在模型上，对消弧器的电流密度及焦耳热分析进行数值求解，结果表明消弧器的电流密度在导体拐角内圆处大于外圆处，且单位体积内产生的焦耳热与电流密度分布一致；通过提取消弧器的电磁力，发现整体结构在发射方向受电磁力较大，在径向由于结构对称，电磁力抵消，表现为整体结构径向对外不呈现电磁力，通过提取结构径向1/2模型受力状况，表明在径向指向y向的电磁力是指向z向的2倍。因此在结构设计中，必须在发射方向和消弧器结构径向予以约束，以克服电磁力对消弧器结构的影响。

通过建立消弧器的电路模型，分析其阻抗特性对发射系统的影响，从而根据阻抗特性设计消弧器结构方案，并建立消弧器的数值仿真模型。通过ANSYS有限元仿真软件，仿真分析了消弧器的电磁特性，并根据数值仿真结果完善消弧器结构设计，提高了工作效率，为后续相关结构设计提供参考方案。