劉育剛,張 波

(華南理工大學(xué)電力學(xué)院,廣州 510640)

電磁發(fā)射是一種利用電磁能量推進(jìn)物體的發(fā)射技術(shù),該項(xiàng)技術(shù)在 20世紀(jì)初由挪威科學(xué)家 K.Birkeland[1]首次提出。隨著對(duì)電磁發(fā)射技術(shù)研究的不斷深入,各種電磁武器應(yīng)運(yùn)而生,比如激光炮、電磁炮以及一些大功率的電磁干擾武器等,其中電磁炮在發(fā)達(dá)國(guó)家中研究比較廣泛,且取得了一些較為引人注目的成就,尤其是導(dǎo)軌炮技術(shù)已經(jīng)接近實(shí)戰(zhàn)需求。目前,國(guó)內(nèi)外電磁發(fā)射研究的重點(diǎn)是發(fā)射導(dǎo)彈及飛機(jī)推進(jìn)等,對(duì)一些輕型武器的研究比較少[2-6]。電磁手槍作為一種新型武器具有很強(qiáng)的實(shí)用性,它與普通手槍相比具有發(fā)射效率高、能源簡(jiǎn)易、無(wú)聲、無(wú)污染、可控性好等明顯優(yōu)點(diǎn)。但由于電磁發(fā)射器體積大、充電電路復(fù)雜等,使得電磁手槍的推廣和應(yīng)用受到限制,對(duì)其性能的研究也比較缺乏。為此,本文中以線圈式電磁手槍為例,首先對(duì)電磁手槍的基本原理進(jìn)行了介紹,然后利用電磁場(chǎng)有限元分析軟件 Maxwell2D進(jìn)行建模仿真,借助 Matlab強(qiáng)大的計(jì)算功能,分析電磁手槍各參數(shù)對(duì)彈丸的影響。

1 基本原理

某電磁手槍的外型如圖 1所示。它用純鐵做彈丸,用銅線繞制成驅(qū)動(dòng)線圈,用電容做電源,同時(shí)配備高能穩(wěn)壓電源為電容器充電。

由于線圈型電磁發(fā)射器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)磁阻型電磁發(fā)射系統(tǒng),通過(guò)大功率電容放電的方式產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電流,形成磁場(chǎng),加速?gòu)椡枨斑M(jìn)[7]。因此,電磁手槍的內(nèi)部系統(tǒng)可簡(jiǎn)單看作由脈沖電源的充電回路和放電回路構(gòu)成[8]。

圖 1 高斯 GP-219電磁無(wú)聲手槍

圖 2給出了單級(jí)線圈型電磁手槍的基本組成框圖。圖中,穩(wěn)壓源、充電電路和高壓大功率儲(chǔ)能電容器共同組成充電回路,而放電回路包括高壓大功率儲(chǔ)能電容器、開(kāi)關(guān)、驅(qū)動(dòng)線圈、彈丸以及將他們聯(lián)系在一起的傳輸線[9]。

圖 2 單級(jí)線圈型電磁手槍的基本原理框圖

另一方面,電磁手槍可等效為一典型的并聯(lián) RLC電路,電源為一個(gè)大功率電容C,電容C在觸發(fā)開(kāi)關(guān)的控制下向驅(qū)動(dòng)線圈放電,由一穩(wěn)壓電源通過(guò)充電電路給電容器充電。

圖 3 單級(jí)線圈型電磁手槍的等效電路

結(jié)合線圈型電磁炮的有關(guān)研究[10],得到單級(jí)線圈型電磁手槍的電路微分方程

式中:C為電容器的電容值;Uc(t)為電容器的瞬態(tài)電壓;R為回路等效電阻;L(x)為回路等效電感。

對(duì)于一個(gè)確定的對(duì)象,式(1)中電容 C和回路電阻 R可以認(rèn)為是固定不變的常數(shù),因而只要知道系統(tǒng)的電感和電感梯度就能知道電容的瞬態(tài)電壓。

由圖 3可以看出,電容的瞬態(tài)電壓可用回路電流來(lái)表示

在運(yùn)動(dòng)學(xué)方面[11-12],彈丸的加速力主要是由系統(tǒng)的電磁加速力和彈丸與槍管之間的滑動(dòng)摩擦及空氣阻力引起。由于子彈與槍管之間沒(méi)有直接接觸,可以忽略摩擦力的影響,同時(shí)子彈的截面積和速度都不大,空氣阻力也可以忽略,因此彈丸加速力主要來(lái)自系統(tǒng)的電磁力。對(duì)于磁阻型彈丸而言,在忽略磁漏的情況下,電磁力可近似表示為

結(jié)合式(1)、(2)、(3)可以建立電磁手槍的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真模型。

2 模擬分析

2.1 有限元模型的建立

電子手槍的 Maxwell 3D模型如圖 4所示。由圖 4可以看出,手槍槍管、子彈及驅(qū)動(dòng)線圈均呈圓柱形,因而建立有限元模型時(shí)可以用 R-Z坐標(biāo)系進(jìn)行二維建模。圖 5為電磁手槍的二維模型。

圖 4 電磁手槍三維仿真模型

圖 5 電磁手槍二維模型

由于電磁手槍自身?xiàng)l件的限制,如長(zhǎng)度不能太長(zhǎng),槍管不能太大,彈丸質(zhì)量、外徑也受到限制,因而對(duì)彈丸速度影響較大的主要是驅(qū)動(dòng)線圈的匝數(shù)、彈丸的壁厚和電源電壓等[13]。

2.2 驅(qū)動(dòng)線圈匝數(shù)對(duì)加速力的影響

首先考慮驅(qū)動(dòng)線圈匝數(shù)對(duì)電磁力的影響,為便于分析,在這里暫不考慮線圈的過(guò)渡時(shí)間,根據(jù)式(3)知道系統(tǒng)的電磁力 F∝(NI)2,則系統(tǒng)的電壓為

式中:ρ為線圈的電導(dǎo)率;r為線圈的繞制半徑;A為單根導(dǎo)線的截面積。

由式(4)可以知道 F∝U2。因而在理想情況下,改變驅(qū)動(dòng)線圈的匝數(shù)不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的電磁力產(chǎn)生較大影響。但實(shí)際上過(guò)渡時(shí)間還是存在的,在同等電壓條件下,驅(qū)動(dòng)線圈匝數(shù)越少,系統(tǒng)的過(guò)渡時(shí)間就越短,這樣彈丸的出口速度就越大,發(fā)射效果越好。但是匝數(shù)越少,線圈需要承載的電流就越大,這就需要更粗的導(dǎo)線做驅(qū)動(dòng)線圈,還會(huì)帶來(lái)線圈發(fā)熱、開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)等一系列問(wèn)題。因而在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)線圈時(shí)要綜合考慮這 2方面的制約因素。根據(jù)式(3)可以將多股線圈并聯(lián)的形式繞制驅(qū)動(dòng)線圈,這樣既增加了線圈匝數(shù),同時(shí)由于是并聯(lián)形式,系統(tǒng)的電阻減小,電流變大,對(duì)增加電磁力很有幫助。

2.3 彈丸壁厚對(duì)電磁力及加速度的影響

加速?gòu)椡璧碾姶帕χ饕峭ㄟ^(guò)彈丸和驅(qū)動(dòng)線圈磁場(chǎng)之間的相互耦合作用產(chǎn)生的,耦合作用越強(qiáng)電磁力就越大[14]。因而在其他條件不變的情況下,減小彈丸的壁厚必然會(huì)減少通過(guò)彈丸的磁力線數(shù)目,耦合作用減小,電磁力就會(huì)減小。設(shè)定驅(qū)動(dòng)線圈長(zhǎng) 125mm,內(nèi)徑 3mm;彈丸長(zhǎng) 10 mm,外徑 2.5mm,對(duì)不同壁厚的彈丸進(jìn)行仿真,圖 6是彈丸進(jìn)入驅(qū)動(dòng)線圈 5mm時(shí)電磁力隨彈丸壁厚的變化曲線。

圖 6 電磁力隨彈丸壁厚的變化曲線

但對(duì)子彈而言,彈丸壁厚增加,彈丸的質(zhì)量也會(huì)增加。當(dāng)彈丸長(zhǎng)度不變時(shí),彈丸的質(zhì)量與其橫截面積成正比。圖7是彈丸加速度隨彈丸壁厚的變化曲線。

圖 7 彈丸加速度隨彈丸壁厚的變化曲線

2.4 電容器電容值對(duì)出口速度的影響

電容器的電容值直接影響電源所能提供的最大能量值和電流形式,因而直接影響彈丸的出口速度。選定電容器的充電電壓為 400 V,假定彈丸到達(dá)線圈中間時(shí)觸發(fā)裝置使電流迅速下降到零,改變電容器的電容值,得到彈丸出口速度隨電容值的變化曲線,如圖 8所示。

圖 8 彈丸出口速度隨電容值變化的曲線

由圖 8可以看出:電容值越大,彈丸的出口速度越大,但系統(tǒng)的能量利用率并不一定越高?？梢远x系統(tǒng)的能量利用率:

根據(jù)式(5)得到能量利用率隨電容器電容值變化的曲線,見(jiàn)圖 9。

圖 9 能量利用率隨電容值變化的曲線

由圖 9可見(jiàn),增大電容雖然能夠提高發(fā)射的速度,但這是以增加電源的初始能量為代價(jià),發(fā)射的效率并不一定能夠提高,對(duì)于上述確定的參數(shù),當(dāng)電容值為7 000μF時(shí),效率最高。

2.5 電容器充電電壓對(duì)出口速度的影響

電容器的充電電壓同樣影響電源所能提供的最大能量和電流形式。其他參數(shù)不變,選定電容器的電容值為10 000μF,改變電容器的充電電壓,得到彈丸出口速度隨電容器充電電壓變化的曲線,如圖 10所示。

圖 10 出口速度隨充電電壓變化的曲線

同樣根據(jù)式(5)得到系統(tǒng)能量利用率隨充電電壓變化的曲線,如圖 11所示。可見(jiàn),在上述確定參數(shù)下,當(dāng)電容器充電電壓約為 230 V時(shí),能量利用率最高。

圖 11 能量利用率隨充電電壓變化的曲線

3 結(jié)束語(yǔ)

電磁手槍作為一種新概念武器,具有很強(qiáng)的應(yīng)用潛力,它不需要很高的發(fā)射速度,也不需要發(fā)射很大質(zhì)量的物體。本文中對(duì)線圈式電磁手槍的基本工作原理進(jìn)行了介紹,并從驅(qū)動(dòng)線圈匝數(shù)、彈丸壁厚、電容器電容值、電容器充電電壓等方面分析了其對(duì)彈丸電磁力、出口速度及能量利用率等方面的影響,為下一步實(shí)驗(yàn)研究奠定了基礎(chǔ)。

從仿真的結(jié)果來(lái)看,彈丸的出口速度不是很高,一般都在 50m/s以下,這主要是因?yàn)殡娫措妷合拗坪筒牧线x取還存在一些瓶頸,但是隨著對(duì)超導(dǎo)技術(shù)和高性能電磁技術(shù)的深入研究,這些問(wèn)題都將得到很好的解決。

[1] Egeland A.Birkeland's electromagnetic gun:ahistorical review[J].IEEE Transactions on PlasmaScience,1989,17(2):73-82.

[2] Brooks A L.Design and Fabrication of Large and Small Bore Rai1 guns[J].IEEE T rans on MAG,1981,18(l):68-72.

[3] 衛(wèi)錦萍.電能武器的最新進(jìn)展與應(yīng)用前景[J].國(guó)外兵器動(dòng)態(tài),1999(41):25-27.

[4] 王瑩,肖峰.電炮原理[M].北京:國(guó)防出版社,1994:5-7,93-178.

[5] Ying W,Marshall R A.Physics of Electric Launch[M].[S.L.]:Science Press,2004:11-19.

[6] Engel T G,Nunnally W C,Neri M.H igh-Efficiency,mediumcaliber helical coil electromagnetic launcher[J].IEEE Transactions on Magnetics,2005,41(11):4299-4303.

[7] Mcnab R.Early electric gun research[J].IEEE Transactions on Magnetic,1999,35(1):250-261.

[8] Mongeau P,Milliams F.Helical Rail Glider Launcher[J].IEEE Trans on MAG,1982,18(1):190-193.

[9] 朱洪強(qiáng),徐萬(wàn)和.電磁槍械(磁阻線圈式)的有關(guān)問(wèn)題研究[D].南京:南京理工大學(xué),2007.

[10]張海燕,魏新勞.線圈炮電磁過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)研究[D].哈爾濱:哈爾濱理工大學(xué),2005.

[11]程健,任兆杏.單級(jí)線圈加速電樞的機(jī)理分析[J].電工技術(shù),1997,5:29-31.

[12]曹鴻鈞.線圈炮電樞(圓柱殼)的屈曲分析[J].應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào),1998,15(4):37-42.

[13]崔鵬,劉少克.磁阻型線圈發(fā)射器彈丸速度與截面積關(guān)系[J].兵工自動(dòng)化,2006,25(12):39-41.

[14]Cown M.The Reconnection Gun[J].IEEE Trans on Magnetics,1986,22(6):1429-1434.

(責(zé)任編輯陳 松)