平面增强型六极轨道电磁发射器仿真与分析*

0 引言

通过多轨道电磁技术发射多抛体一直以来都是电磁推进的热门话题[1-3],世界各国持续对电磁发射技术进行广泛而深入的研究[4-6],相对于线圈炮和重接炮的电磁发射技术,轨道炮具有加速抛体至超高速的潜力[7],但其轨道的高电流密度会导致轨道的严重烧蚀,从而降低发射能量利用效率和使用频率。随着世界军事不仅仅满足电磁发射动能弹,而是向着电磁发射制导炸弹领域不断发展,目前传统电磁发射器存在一个迫切的问题,就是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[8-9]。因此,提出一种新型平面增强型六极轨道电磁发射器,在提供大的推进力的同时,解决了强磁场屏蔽问题。

1 发射模型

图1展示的是平面增强型六极轨道电磁发射器模型,平面增强六极轨道和双抛体组成是最重要的结构组成,平面串联增强六极轨道是等间距旋转双六极轨道排布,双抛体为两个大小相同独立的梅花状抛体上下层叠排布,双抛体和制导炸弹的运动方向为Z轴。

图1 平面串联增强型轨道电磁发射模型

平面增强型六极轨道的设计主要是为了增加轨道间的电感梯度,在导弹抛体运动过程中,平面增强型六极轨道还起到固定双抛体的作用,增加了发射系统的稳定性。旋转双六极轨道的构型是此电磁发射器的关键技术,平面串联增强型六极轨道的布局如图2所示,旋转双六极轨道是30°圆周等间距布局,对其中的3个轨道加载相同的电流,旋转双六极轨道产生6对磁场,根据加载电流的轨道不同,中心区域的电磁场彼此抵消程度会有不同。由于平面布局的双六极轨道增加了电感梯度,在通入相同电流的情况下,平面串联增强型六极轨道电磁发射器提供的电磁驱动力将大于六极轨道电磁发射器。

图2 平面增强型六极轨道布局

2 轨道连接的3种环向磁场构型方式

2.1 3种典型构型

平面增强型六极轨道在结构上相当于两个六极轨道电磁发射器旋转一定角度的复合结构。

根据电流加载于轨道的位置与个数不同,平面增强型六极轨道对称发射器存在3种典型结构,具体的连接方式如图3所示。

图3 3种典型平面串联增强六极轨的连接方式

2.2 3种构型的仿真与分析

选择两个抛体在XY平面上的磁场分布,3种构型的磁场强度云图具体如图4所示,从上到下依次为平面增强A、B和C 3种构型,其中左侧为抛体#1底面截面磁场强度云图。

在加载截面轨道电流为100 kA的情况下,3种构型产生的最大磁场分别为1.876 T,2.180 T和2.072 T,B构型的磁场强度最大,且抛体#1截面的磁场强度明显大于抛体#2,这是因为抛体#1截面的磁场是由旋转双六极轨道共同作用的结果,由于抛体#1连接的六极轨道在上部不存在电流,故抛体#2截面的磁场则是由单个六极轨道共同作用的结果。从磁场强度云图中可以看出,平面串联增强A构型在中心有明显的磁场屏蔽区域,而B和C两种构型的磁屏蔽区域逐渐减小,特别是C构型,强磁场区域几乎占领了整个发射空间,B和C两种构型会严重干扰制导炸弹的内部元器件。

抛体#1截面的磁场强度及其电流密度矢量图具体如图5所示,其中左侧为抛体#1的磁场强度分布矢量图,右侧为抛体#1的电流密度分布矢量图。从左侧磁场强度分布矢量图中可以看出,平面串联增强A构型的磁力线均匀存在于旋转双六极轨道周围,在中心区域几乎没有磁力线的存在;B构型的磁力线主要存在于加载电流的轨道周围,即磁力线是两超四强的情况,且磁力线已渗透到中心区域中;C构型由于受到抛体#2所连接轨道的影响,其磁力线整体呈现反对角线型,且磁力线已完全穿过发射运动的中心区域,这与图4中C构型磁场强度云图是相符合的。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是最均匀的,且中心区域的磁感应强度最小。

图4 3种构型磁场强度云图

这表明,平面串联增强A构型在双抛体运动过程中可以受力均匀,不会造成大的应力集中的情况,增加了发射系统的稳定性;B构型的磁感应强度最大,在双抛体运动过程中将受到更大的推进力与出口速度;C构型的磁场范围拓展到发射中心区域,不适合制导炸弹的发射。

从右侧抛体#1的电流密度分布矢量图中可以看出,平面串联增强A构型的电流矢量是从六级导轨中均匀流入流出到抛体#1中,是完全对称的,这与A构型的平面串联增强六极轨的连接方式是相符合的;B构型的电流矢量是从两端对称加载电流的,从另外4根轨道流出,且在Y轴对称区域中,电流密度矢量减少,这是由于电流会走电阻最小的流通回路,在Y轴对称区域形成冲击碰撞;C构型的电流矢量是从连续的3根轨道流入,从抛体#1对面的电流流出,其电流密度矢量在反对角线区域密度最大,这是由于最中间轨道电流的流入的分量加载到另外两输入电流造成的,这与图6中C构型磁场强度矢量图是相符合的。电流矢量密度的大小从B、C、A依次降低。

图5 抛体#1截面的磁场强度及其电流密度矢量图

与图5类似,抛体#2截面的磁场强度及其电流密度矢量图具体如图6所示。与抛体#1截面的磁场强度分布矢量图不同的是,抛体#2的3种构型磁力线是由其连接的一对六极轨道流通电流作用的结果,而抛体#1是由旋转双六极轨道流通电流共同作用的结果,这也使得抛体#2的3种构型磁力线变得更加清晰明了。同样的,抛体#2的电流密度分布矢量图中是抛体#1的电流密度分布矢量图逆时针扭转30°的结果。

图6 抛体#2截面的磁场强度及其电流密度矢量图

3 推进力与电磁屏蔽的仿真及分析

3.1 双抛体的轴向推进力

无论是平面增强六极轨道电磁发射器的哪种构型,其抛体的轴向加速推进作用思想是一样的,即环向磁场与正交环向电流产生轴向推进力,不同点为每种构型的磁力线分布与电流流向不同,产生的有效推进力有所差别。

在平面串联增强六极轨道通入100 kA电流的情况下,3种构型的双抛体所受推进力数据具体如表1所示,由表可知,A构型抛体#1与抛体#2的电磁推进力几乎相等,上下抛体的推力是相同的,即在电磁发射过程中,制导炸弹的运行将更加平稳;B构型抛体#1与抛体#2的电磁推进力相差最大,其电磁推进力主要集中在抛体#1中,且B构型的电磁推进合力是最大的,这与图4中B构型的强磁场环境和图5中大电流矢量密度是相符合的;C构型电磁推进力也主要集中在抛体#1中。

表1 平面串联增强的3种构型抛体所受推进力

特别的,平面串联增强型的抛体#1所受的推进力是旋转双六极轨道共同作用的结果,而抛体#2所受的推进力是单六极轨道作用的结果。虽然A构型的推进合力是最小的,但分析3种构型中抛体#2所受的推进力,A构型的推进力是最大的,说明单独的六极轨道通过A构型的电流加载方式,抛体受到的推进力最大。

3.2 磁场屏蔽原理

平面串联增强型六极轨道电磁发射器的磁场屏蔽思想,是平面增强六极轨道在运动区域磁场互相抵消的结果,3种典型构型的电流流入方式会造成不同的磁场屏蔽效果。

在加载电流的峰值时刻,平面串联增强六极轨道电磁发射器在X-Z截面与Y-Z截面的磁场强度云图分布如图7所示,在导弹的中心运动区域,A构型的磁场强度最小,且弱磁场强度范围最大,B构型的弱磁场强度范围较为集中,范围远不如A构型大,C构型磁场强度范围遍布导弹的中心运动区域。

图7 平面增强型六极轨道电磁发射器X-Z截面与Y-Z截面的磁场强度云图

4 结论

文中在六极轨道电磁发射器模型的基础上,提出了一种新型平面增强型六极轨道电磁发射器,仿真分析得出A构型会产生最优的磁屏蔽空间,而B构型的电磁推进力最大。在电磁发射器的构型选择上,若对于电磁推进力要求最优,则选择A构型布局,若对于电磁屏蔽要求最优,则选择B构型布局。