基于电磁线圈发射的火炮增速可行性研究

穆泽渊，张涛，苏子舟，王婉莹

(西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099)

火炮初速对其远程打击作战至关重要,目前提高火炮初速的技术主要为电热发射技术、随行装药技术等。电热发射技术利用轻质气体作为发射工质,提高能量利用率以提高初速,但这涉及新的发射能源问题,火炮系统将发生根本变化,与传统发射难以兼容;包履式随行装药采用包履火药作为随行药来改善火炮内弹道性能,其仅改变装药结构,不会增加弹丸消极质量,同时保持火炮和弹丸结构不变,但初速增加幅度有限;包容式随行装药技术增速率较高,可达10%左右,但会增加弹丸消极质量,且会导致弹底最大压力上升[1]。

电磁线圈发射作为电磁发射技术的一种,具有发射抛体质量范围大、可控性好、无电接触等优点[2],小质量负载中主要用于电磁线圈手枪发射,弹丸不装填火药,电磁力为其唯一推动力[3-4],大质量负载中主要用于火箭、导弹等起飞阶段的短程加速,负载被加速到每秒几十米后完成起飞,距身管一定高度时主发动机点火继续推动负载发射[5]。目前,电磁线圈发射技术应用于火炮增速的研究较少,对于火炮这种较大质量的负载,纯电力推动无法在有限身管长度下使弹丸达到超高速,因此,为进一步提高火炮初速,可利用电磁线圈发射和火药发射共同作用的方式来实现火炮增速。该增速方式主要通过线圈发射装置在弹丸薄壁上产生电磁力,与火药燃烧产生的膨胀气体一起推动弹丸发射。该增速技术虽然涉及新的发射能源,弹丸和身管设计也有所变化,但是与传统火药发射可以兼容,且不会增加弹丸的消极质量,此外与随行装药增速技术以及底排增程、弹形减阻等增程技术均有着良好的相容性[1]。

笔者以磁阻型线圈发射和同步感应型线圈发射分别展开研究,分析比较不同身管材料下两种线圈发射方式的发射性能;并基于不同初速下的单级线圈发射性能来估算多级线圈发射装置的增速效果,以此来评估基于电磁线圈发射的火炮增速技术的可行性。

1 基本原理

1.1 弹丸增速基本原理

基于电磁线圈发射的火炮增速原理如图1所示。火药经点火爆炸产生膨胀气体推动弹丸运动,各级线圈逐级缠绕固定在身管外侧,在火药发射过程中,弹丸运动到每级线圈对应的触发位置时,相应的PFU(脉冲源模块)开始放电,使弹丸薄壁受到电磁力,与火药燃烧产生的膨胀气体一起推动弹丸发射,从而增加火炮初速,提高发射性能。

电磁线圈和火药联合发射过程中,弹丸受力运动过程比较复杂,除了各级线圈的电磁力,还需考虑膨胀气体的推动力,多级线圈发射装置第n级线圈的初始速度即为弹丸经火药发射和前n-1级线圈发射共同作用到第n级触发位置下的速度。由于多级线圈发射性能可以由单级线圈不同初速下的发射性能来评估,因而基于电磁线圈发射的火炮增速技术的可行性可以由不同初速下的单级线圈发射性能来衡量。

为定量对比分析磁阻型和同步感应型单级线圈的发射性能,在电磁线圈发射过程中忽略火药发射对弹丸速度的影响。

1.2 电磁线圈加速基本原理

电磁线圈发射根据原理的不同可分为同步感应型线圈发射和磁阻型线圈发射。

同步感应型线圈发射的弹丸为铝、铜等逆磁性金属良导体,如图2所示,脉冲电流产生时变磁场在弹丸薄壁内产生感应电流,弹丸处于线圈右侧时,感应电磁力为正向,将推动弹丸向炮口运动[6]。

磁阻型线圈发射的弹丸为铁磁性材料,其利用了磁阻最小原理。所谓磁阻,就是阻碍磁路建立磁通的能力,在驱动线圈-气隙-弹丸组成的闭合磁路中,弹丸的磁导率远大于空气的磁导率,对于缠绕多匝线圈的长直螺线管,当弹丸处于驱动线圈中心时,闭合磁路的磁阻最小,因此弹丸将有向驱动线圈中心运动的趋势。磁阻型线圈的弹丸同时也是金属良导体,如图3所示,弹丸在受到正向的磁阻电磁力时,也会因脉冲电流形成的时变磁场而在弹丸薄壁内产生感应电流,进而产生反向的感应电磁力。因此磁阻型线圈用于加速弹丸时需考虑涡流效应对发射性能的影响[7-8]。

2 磁阻型线圈发射仿真分析

2.1 仿真模型及参数

有限元法作为解决工程电磁场问题最主要的方法,求解精度高[9],因此笔者基于ANSYS下Maxwell软件建立了单级磁阻型电磁线圈发射的场路耦合有限元仿真模型,如图4所示。模型采用balloon型边界条件,为减少计算量,采用二维对称设置,将图4(a)模型绕对称轴旋转一周即可得到三维模型。

发射器参数以及模型材料参数如表1、2所示。表2中铁磁性材料的B-H曲线如图5所示。

表1 线圈发射器仿真模型参数

表2 身管和弹丸材料参数表

2.2 仿真结果

弹丸为铁磁性材料,在铁磁性和逆磁性绝缘身管发射器条件下,对不同弹丸初速进行仿真分析,弹丸均在最佳触发位置下被发射,仿真结果如图6所示。

在铁磁性和逆磁性绝缘身管条件下,初速v0为200、400、600 m/s的弹丸经磁阻型线圈发射后,速度均未提高。发射后逆磁性身管弹丸速度虽高于铁磁性身管弹丸速度,但整个发射过程弹丸也基本处于减速状态,这是由于弹丸高速运动时,弹丸薄壁内产生较大的感应电流,使得弹丸受到的反向感应电磁力大于正向磁阻电磁力,这导致弹丸经磁阻型线圈发射后速度不增反降。

若提高磁阻型线圈发射的增速效果,需对弹丸进行开槽处理。由于弹丸内的感应电流为周向电流,因此,弹丸通过开槽处理可以降低磁阻型线圈发射过程中弹丸薄壁内产生的感应电流,以此减小反向感应电磁力,从而提高增速效果[10]。处理后弹丸结构以及相应的仿真结果如图7、8所示。

线圈发射器发射效率η为

(1)

式中:v为弹丸经线圈发射后的速度;v0为弹丸初速;n为线圈级数,对于单级线圈n=1;C为电容;u0为初始电压。根据式(1)计算磁阻型线圈发射效率,结果如表3所示。

表3 弹丸开槽处理的磁阻型线圈发射效率

由图8可知,200、400、600 m/s 3种初速下开槽弹丸经磁阻型线圈发射后速度提高,但增速效果较差。由表3可知,低、中、高初速下开槽弹丸的磁阻型线圈发射效率均偏低;且对于磁阻型线圈发射,逆磁性绝缘身管的发射效率高于铁磁性身管。由于铁磁性材料相对磁导率较大,基于磁阻最小原理,磁通回路更倾向于从身管位置通过,这导致膛内弹丸所处区域磁场强度降低,即铁磁性身管对膛内形成一定磁屏蔽,影响了膛内电磁发射过程。

3 感应型线圈发射仿真分析

感应型线圈发射仿真模型与图4类似,将弹丸材料改为逆磁性金属良导体,在最佳触发位置条件下对不同弹丸初速进行仿真,计算感应型线圈发射效率,结果如表4和图9所示。

由图9可知,在低、中、高初速下,弹丸经同步感应型线圈发射后速度明显增加,同上文所述,由于铁磁性身管对膛内区域形成一定磁屏蔽,因此逆磁性绝缘身管相比铁磁性身管的弹丸增速效果要好。

对比表3和4,身管材料相同时,同步感应型线圈发射器的弹丸增速效果更好,且逆磁性绝缘身管条件下,同步感应型线圈发射效率远高于磁阻型线圈。

分析表明,逆磁性绝缘身管的同步感应型线圈发射器增速性能更佳。为研究逆磁性绝缘身管厚度对发射性能的影响,对比不同身管厚度的同步感应型线圈发射弹丸速度曲线和发射效率,如图10和表5所示。

表5 不同身管厚度同步感应型线圈发射效率

由图10和表5可知,弹丸在低、中、高初速下,身管越薄,同步感应型线圈发射性能越好,这是由于身管厚度的降低减小了驱动线圈和弹丸的径向间距,增加了磁耦合效果。因此满足其他设计要求时,身管厚度需尽可能薄。

由以上分析可知,为达到最佳发射效果,采用多级同步感应型线圈发射装置,身管为逆磁性绝缘材料,壁厚δ2为10 mm。由表5可知,在低、中、高初速下,对应的单级线圈发射效率分别为20.88%、18.5%、13.64%,以不同初速下单级线圈的发射性能评估多级线圈的增速效果,那么多级线圈发射装置从火药发射的低速到中速再到高速过程中依次逐级加速弹丸时,多级线圈整体发射效率处于13.64%到20.88%之间。若仅火药发射方式下弹丸的出膛速度为600 m/s,以多级线圈发射效率取16%进行估算,那么在25级线圈发射和火药发射共同作用方式下,弹丸的出口速度为757.19 m/s,增速率为26.2%。

4 结束语

为了提高火炮初速,笔者对基于电磁线圈发射的火炮增速技术展开研究,分别对不同身管材料的磁阻型线圈发射和同步感应型线圈发射进行仿真分析,结果表明:弹丸不开槽处理,磁阻型线圈无法加速弹丸;相比弹丸开槽处理的磁阻型线圈,同步感应型线圈发射性能更好,且身管为逆磁性绝缘材料时,发射性能大大提升。并对25级、10 mm厚度的逆磁性绝缘身管同步感应型线圈发射的增速性能进行估算,结果表明该增速技术可将原出膛速度为600 m/s的弹丸加速到757.19 m/s,增速率为26.2%。

笔者分析表明基于电磁线圈发射的火炮增速技术可以极大地提高火炮初速,具有广阔的应用前景,该增速技术为火炮增速提供了一种新的技术手段。