六极轨道发射器电磁推进与屏蔽数值验证设计*

0 引言

目前，与线圈炮和重接炮相比，轨道炮是电磁发射器中最成功的一种工程应用[1-3]。电磁轨道炮的弹丸正从常规动能弹扩展到智能弹药[4-6]。智能弹药包含各种传感器和执行机构，这导致弹丸发射过程中将经过一个很恶劣的电磁环境，特别是轨道炮电流产生的很高脉冲电磁场[7]。如此强的电磁场会破坏弹丸电子元件的工作性能。

轨道电流产生的强大磁场限制轨道炮弹丸向智能化方向发展，屏蔽轨道炮的强电磁场环境迫在眉睫[7]。轨道炮的电磁屏蔽策略分为主动屏蔽和被动屏蔽，主动屏蔽是利用附加器件上的线圈产生反向磁场削弱弹丸周围的磁场，然而其结构十分复杂，被动屏蔽则是使用屏蔽材料来削弱磁场，对于轨道炮磁场的低频特性，良好的导体限制时变磁场屏蔽效能[8]。传统的电磁屏蔽方法难以达到有效作用。

从根本上讲，常规电磁发射器不能解决发射过程中的电磁屏蔽问题。基于这样的背景，文中提出了一种新型电磁发射器：六极轨道电磁发射器，环向磁场与正交环向电流相互作用产生轴向加速力，且在发射轨道中心区域。该发射器有效地提供了电磁屏蔽,六极轨道电磁发射器可以解决电磁屏蔽和大质量推进问题。

1 发射模型

六极轨道电磁发射模型如图1所示。抛体运动方向为Z轴。该发射器主要由六极轨道、抛体和导弹组成，所有轨道的设计是相同的，抛体为梅花状。此外，外部设备包括超导能量系统，用于获得高脉冲电压。

1.1 发射过程

在最初的发射阶段，导弹抛体在六极轨道中静止等待发射信号。在发射过程中，脉冲电压源对120°等间距的3个轨道进行放电，而其余的3个轨道作为闭环回路。通过梅花状抛体连接，在每两个轨道之间形成闭环回路。同时，梅花状抛体获得6组环向电流，六极轨道产生的环向磁场环绕在抛体周围。在抛体的中心部分，由于六极环向磁场相互作用抵消，电磁屏蔽效应得以实现。环向磁场与正交环向电流相互作用，产生轴向安培力，电磁力推进抛体和导弹向高速发射。

图1 六极轨道电磁发射模型

1.2 六极轨道设计

六极轨道电磁发射器关键技术是六极轨道的结构设计。六极轨道布局和六极电流的流动方向如图2所示，六极轨道是60°均匀间隔的圆形布局，电流通过梅花状抛体流入一轨道并从相邻两个轨道流出，由于电流大小是相等对称流动的，所以六极轨道产生反向抵消的环向磁场。因此，在导弹发射运动的中心部分，电磁场是相互抵消的，形成磁场屏蔽空间。

图2 抛体和六极轨道的电流流动方向

1.3 抛体设计

抛体电流的流动方向如图2所示，抛体的中空设计是为了放置和固定导弹。鉴于六极轨道的构型设计，梅花状抛体的电流方向是沿导向弧的。梅花状抛体的设计，一方面是为了降低发射系统重量，另一方面是引导电流走向。

本设计没有增加额外线圈或屏蔽材料来削弱磁场干扰，这使得发射系统的复杂性得以简化。

2 电磁推进数值模型

2.1 推进力原理

由于梅花状抛体的电流在圆周上是对称的，在六极轨道磁场作用下，抛体的径向力可以相互抵消，环向磁场B和正交环向电流I如图2所示。六极轨道获得脉冲电流并产生脉冲六极环向磁场，梅花状抛体通过的电流和六极轨道产生的环向磁场正交，六极环向磁场与正交六极环向电流相互作用产生巨大的轴向推进力。

2.2 电路方程

六极轨道电磁推进的等效电路如图3所示。高功率脉冲电容C对六极轨道进行放电，UC是电容器的充电电压，K是大电流开关，D是连续电流二极管，R(t)是电路的总电阻，L1到L6是六极轨道的自感，D1、D3和D5的功能分别是控制自感L1、L3和L5的电流方向，M12、M13和M14分别是L1到L4之间的互感，考虑到六极轨道的对称性，其它轨道之间的互感与M12、M13和M14相同。

图3 六极轨道电磁推进等效电路

当开关K打开时，电磁发射器开始工作，同时脉冲源放电到三轨，六极轨道回路方程可等效为：

通过三维有限元软件，对新型电磁发射器的六极轨道和抛体进行仿真分析。六极环向磁场的矢量分布如图4所示，六极环向磁场围绕六极轨道，且相邻的两个磁场方向相反。六极正交环向电流的矢量分布如图5所示，梅花状抛体的环向电流，始终与六极环向磁场是正交的。假设六极轨道和传统轨道炮的输入电流均为100 kA，则作用在抛体的推进力如表1所示。传统电磁轨道炮的轴向推进力是6.575×103 N，force_x和force_y干扰力很小。六极轨道发射器轴向推进力为2.310×104 N，与传统轨道炮相比，force_z增加近四倍，同样地，其余干扰力也同样小。

(2)

2.3 推进力有限元仿真

在脉冲电流的峰值时刻，六极轨道电磁发射器在XY平面的磁场分布如图8所示，其中梅花状抛体中心区域的磁场非常小；六极轨道电磁发射器在XZ平面的磁场分布如图9所示，其中有一圆柱体区域，抛体上下两部分的磁场强度很小。六极轨道电磁发射器的最大磁感应强度为7.63 T，且出现在支撑导轨(靠近六极轨道)，然而，六极轨道中心圆柱区域的磁通密度却很小，即使该区域周围有轨道电流产生的强磁场，磁感应强度仍然不足以摧毁导弹内部的电子元件。相应地，传统轨道炮在XZ平面的磁场分布如图10所示，传统轨道炮最大磁感应强度7.20 T，出现在支撑导轨、两轨道和抛体附近，然而，两轨道之间的磁场却非常强。

表1 六极轨道与轨道炮推进力对比

图4 六极环向磁场矢量

图5 正交环向电流矢量

3 电磁屏蔽数值模型

3.1 电磁屏蔽原理

如图6所示，点P是位于六极轨道内任意一点，β6、β6′是点P与轨道#6之间的夹角，同样地，点P与其它轨道之间的夹角为β1、β1′到β5、β5′。顺次地，点P与轨道之间的距离依次为a到f，轨道#1到轨道#6流经的电流，在点P的磁通密度可分别表示为:

(3)

图6 六极轨磁场中点P与两相邻轨不共面

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

由此给出了点P的总磁通密度为：

B=B1+B3+B5-B2-B4-B6

(9)

在六极轨道内部，磁场大幅减弱的范围被限制在一定的圆环区域。

3.2 考察点与参考面布局

由于抛体的电子元件占据一定空间，故定义一个120 mm×120 mm的矩形参考面S(S位于XZ平面)，参考面S的布局位于抛体的中心。考察点A到G的布局如图7所示。考察点A在六极轨道的中心，点B、C、D为30 mm等距间距排列，同样地，点E、F、和G为60 mm等距间距排列。

图7 考察点布局

3.3 磁场空间分布

当脉冲源完成并停止放电时，二极管D使得电流保持连续。因此，六极轨道回路方程变为：

图8 六极轨道在XY平面的磁场分布

图9 六极轨道在XZ平面的磁场分布

图10 传统轨道炮在XZ平面的磁场分布

图11 考察点磁感应强度

考察点A到G的磁感应强度如图11所示，相应点从下到上顺序依次为从A到G，其变化规律与脉冲电流曲线一致，参考面S的最大磁感应强度为0.12 T，然而，大多数考察点的磁感应强度在0.04 T以下，低于一般电子元件磁场工作环境的上限[9]。同时，越靠近中心区域，磁感应强度越小。

4 结论

文中介绍了一种新型六极轨道电磁发射器。因为此电磁发射器设计既不使用额外线圈或附加材料来屏蔽磁场，降低了发射系统的复杂性，此外，六极轨道设计提高了磁屏蔽效果。利用环向磁场与正交环向电流产生轴向加速度力，并在中央区域产生磁屏蔽效果。理论分析了推进力和磁屏蔽。数值仿真结果表明，六极轨道电磁发射器具有很大的轴向加速度力和产生磁屏蔽效果，载荷区域与轨道的距离是影响磁屏蔽效果的重要因素。六极轨道电磁发射器磁屏蔽性能优于传统电磁发射器，未来可用于导弹和卫星的发射。