孟學(xué)平，雷 彬，李治源，趙科義，李耀龍

（解放軍軍械工程學(xué)院，石家莊 050003）

0 引言

磁阻型線圈發(fā)射器作為一種新型發(fā)射器［1］，具有可控性好、安全系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，通過選擇磁阻型線圈發(fā)射器不同的電路參數(shù)、彈丸觸發(fā)位置、觸發(fā)級數(shù)等相關(guān)參數(shù)，就可以方便的調(diào)節(jié)彈丸的出口速度［2］，從而滿足反恐防暴的應(yīng)用需求。

美國Texas大學(xué)Austin分校機(jī)電研究中心開展了磁阻電磁發(fā)射器的理論和控制策略研究［3］;波蘭的B.Tomczuk和M.Sobol主要對磁阻發(fā)射器的磁場進(jìn)行了分析［4］;馬來西亞的M.Rezal等進(jìn)行了單級磁阻發(fā)射器的仿真與實(shí)驗(yàn)研究［5］。以上研究主要針對單級磁阻型線圈發(fā)射器展開，文中主要針對三級磁阻型線圈發(fā)射器的動態(tài)特性進(jìn)行仿真研究，重點(diǎn)分析了觸發(fā)位置對發(fā)射器的彈丸出口速度及能量轉(zhuǎn)換效率的影響，研究成果將為后續(xù)多級磁阻型線圈發(fā)射器的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)提供指導(dǎo)，進(jìn)而為磁阻型線圈發(fā)射器的小型化、集成化奠定基礎(chǔ)。

1 發(fā)射器原理及控制策略

1.1 多級發(fā)射器原理分析

多級磁阻型線圈發(fā)射器可以看作由一系列單級磁阻型線圈發(fā)射器組成，以三級磁阻型線圈發(fā)射器為例進(jìn)行說明，如圖1所示。三級磁阻型線圈發(fā)射器由鐵磁性彈丸、驅(qū)動線圈、發(fā)射管、脈沖儲能電容器（C1、C2、C3）、觸發(fā)開關(guān)（SCR1、SCR2、SCR3）組成。給定彈丸的初始觸發(fā)位置，利用充電機(jī)為脈沖儲能電容器

圖1 三級磁阻型線圈發(fā)射器原理圖

C1、C2、C3充電，通過手動觸發(fā)方式使觸發(fā)開關(guān)SCR1導(dǎo)通，脈沖儲能電容器C1經(jīng)過驅(qū)動線圈放電，鐵磁性彈丸在第1級驅(qū)動線圈的電磁力作用下朝著圖示方向運(yùn)動;當(dāng)運(yùn)動到第2（3）級驅(qū)動線圈時(shí)，計(jì)數(shù)器或者光電傳感器向觸發(fā)開關(guān)SCR2（SCR3）發(fā)出觸發(fā)信號并使其導(dǎo)通，脈沖電容器C2（C3）經(jīng)過驅(qū)動線圈放電，彈丸在相應(yīng)驅(qū)動線圈電磁力作用下繼續(xù)向前運(yùn)動，直至脫離發(fā)射管。

忽略空氣阻力及摩擦力，彈丸在每級驅(qū)動線圈內(nèi)的加速過程可以表示為:

式中:FP表示彈丸所受到的電磁力;m為彈丸質(zhì)量，a為彈丸加速度;v1為t1時(shí)刻速度;v2為t2時(shí)刻速度，Δt為時(shí)間增量;Δv為Δt內(nèi)的速度增量。

可以得出，在彈丸質(zhì)量一定的條件下，彈丸經(jīng)過每級驅(qū)動線圈后的速度變化主要與電磁力及其作用時(shí)間有關(guān)。

磁阻型線圈發(fā)射器的能量轉(zhuǎn)換效率定義為彈丸動能增量與脈沖儲能電容器原始儲存電能之比［8］，用η表示，其計(jì)算公式如下:

式中:WM表示彈丸動能增量;WC表示脈沖儲能電容器的初始儲存電能;m表示彈丸質(zhì)量;v1表示彈丸初速;v2表示彈丸出口速度，C表示電容器的容量值;U表示電容器的初始電壓。

1.2 多級觸發(fā)控制策略

多級觸發(fā)控制策略一般有時(shí)間觸發(fā)方式和位置觸發(fā)方式兩種。時(shí)間觸發(fā)的原理比較簡單，通過仿真或試驗(yàn)確定不同彈丸初速對應(yīng)的最佳觸發(fā)位置，并利用位置和彈丸速度計(jì)算出彈丸運(yùn)動到每級驅(qū)動線圈最佳觸發(fā)位置所需要的時(shí)間。

位置觸發(fā)即為通過位置來控制每級驅(qū)動線圈放電，位置檢測一般通過光電對管或者激光器來實(shí)現(xiàn)。其基本原理為:通過手動控制第1級驅(qū)動線圈的觸發(fā)放電，觸發(fā)放電后，彈丸受力開始向前運(yùn)動。當(dāng)彈丸的頭部運(yùn)動到光電對管所在位置時(shí)，將光信號截?cái)?，使得光通路斷開，光電管發(fā)出高電平信號，并傳輸給觸發(fā)控制系統(tǒng)，彈丸繼續(xù)向前運(yùn)動，當(dāng)彈丸的尾部運(yùn)動離開激光器所在位置時(shí)，光通路恢復(fù)，觸發(fā)控制系統(tǒng)再次接收低電平信號。觸發(fā)控制系統(tǒng)檢測到電平由低向高跳變的上升沿時(shí)，發(fā)出觸發(fā)控制信號，使該級驅(qū)動線圈的可控硅開關(guān)同步觸發(fā)放電，實(shí)現(xiàn)多級磁阻型線圈發(fā)射器的觸發(fā)控制。

在實(shí)際的多級磁阻型線圈發(fā)射器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)中，多采用位置觸發(fā)的方式，提高控制精度。因此，本研究采用位置觸發(fā)方式，利用Ansoft有限元仿真軟件，來實(shí)現(xiàn)三級磁阻型線圈發(fā)射器的工作過程仿真研究。

2 仿真研究

2.1 仿真結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)置

電磁場仿真軟件Ansoft可以自動考慮部件形狀、相對位置及材料特性對電感等參數(shù)計(jì)算的影響，解決直接計(jì)算參數(shù)的難題［6－7］。因此，文中借助電磁場有限元仿真軟件Ansoft中的2D瞬態(tài)場求解器，對三級磁阻型線圈發(fā)射器工作過程進(jìn)行仿真分析。

圖2 動態(tài)仿真模型

圖3 網(wǎng)格剖分

圖2給出了三級磁阻型線圈發(fā)射器的仿真模型，包括運(yùn)動區(qū)域、求解區(qū)域、驅(qū)動線圈及彈丸。圖3給出了仿真區(qū)域的網(wǎng)格剖分情況，從圖中可以看出，為了保證仿真計(jì)算精度，彈丸、驅(qū)動線圈及運(yùn)動區(qū)域的網(wǎng)格劃分比較密集。

圖4 脈沖電壓源設(shè)置

仿真過程中，通過外接電路的方式為驅(qū)動線圈加載。外接電路中，共有3個(gè)脈沖儲能電容器，脈沖儲能電容器的電壓均設(shè)置為600 V，C1的電容設(shè)置為600 μF，C2、C3的電容設(shè)置為400 μF，3 個(gè)驅(qū)動線圈的電阻均為0.408Ω，第2、3級電路中，采用壓控開關(guān)S_V2、S_V3來實(shí)現(xiàn)位置觸發(fā)，觸發(fā)源采用脈沖電壓源V2、V3，脈沖電壓源及其參數(shù)設(shè)置如圖4所示，位置觸發(fā)通過調(diào)整Td的數(shù)值來實(shí)現(xiàn)。

2.2 仿真結(jié)果及分析

本研究中，位置觸發(fā)通過設(shè)置脈沖電壓源中的Td來實(shí)現(xiàn)，由前期單級磁阻型線圈發(fā)射器的動態(tài)仿真分析，確定第1級彈丸的最佳觸發(fā)位置，并將彈丸放置在該位置;然后根據(jù)磁阻型線圈發(fā)射器的加速原理及前期大量試驗(yàn)情況，確定第2、3級彈丸的觸發(fā)位置范圍，觸發(fā)位置用彈丸位移Z來表示，取Z1=30～75 mm，Z2=95～140 mm，變化步長均為5 mm，進(jìn)行仿真。選取 Z1=45 mm、Z2=110 mm，Z1=55 mm、Z2=120 mm，Z1=75mm、Z2=140mm3組典型觸發(fā)位置進(jìn)行分析。

圖5 觸發(fā)位置對驅(qū)動電流的影響

圖5給出了三級磁阻型線圈發(fā)射器在3個(gè)不同觸發(fā)位置時(shí)的驅(qū)動電流曲線。從圖中看出，第1級驅(qū)動電流曲線基本重合，說明觸發(fā)位置不同對驅(qū)動線圈的級間相互影響很小，通過單級驅(qū)動線圈的驅(qū)動電流曲線可以證實(shí)級間耦合作用很小;第2、3級驅(qū)動電流的曲線變化趨勢基本相同，且驅(qū)動電流峰值及周期基本一致，只是觸發(fā)時(shí)刻有所不同，這是由觸發(fā)位置的不同所決定的，觸發(fā)位置不同，彈丸到達(dá)同一位置的時(shí)刻就不相同，故會出現(xiàn)觸發(fā)時(shí)刻不同。

圖6 觸發(fā)位置對電磁力的影響

圖6給出了三級磁阻型線圈發(fā)射器在3個(gè)不同觸發(fā)位置時(shí)的電磁力曲線。對每一個(gè)觸發(fā)位置，都出現(xiàn)了3次正向電磁力，說明彈丸受到三級驅(qū)動線圈加速。由圖可以看出，3個(gè)觸發(fā)位置對應(yīng)的三級正向電磁力峰值分別為222.90 N、84.71 N、123.46 N;222.90 N、174.68 N、187.34 N;222.90 N、147.33 N、141.58 N。Z1=45 mm，Z2=110 mm時(shí)，第1、2級電磁力曲線均為正向電磁力，第3級電磁力曲線開始出現(xiàn)負(fù)向電磁力，負(fù)向電磁力峰值為 －8.94 N，且持續(xù)時(shí)間較短;Z1=55 mm，Z2=120 mm時(shí)，第1級電磁力曲線為正向電磁力，第2級電磁力曲線開始出現(xiàn)負(fù)向電磁力，負(fù)向力峰值為－9.52 N，且幅值和持續(xù)時(shí)間均不大，第3級電磁力曲線出現(xiàn)明顯的負(fù)向電磁力，負(fù)向電磁力峰值為－25.19 N，且持續(xù)時(shí)間較長;Z1=75 mm，Z2=140 mm時(shí)，第1級電磁力曲線為正向電磁力，第2、3級電磁力曲線均出現(xiàn)明顯的負(fù)向電磁力，所對應(yīng)的負(fù)向電磁力峰值分別為 －24.01 N、－32.87 N，且持續(xù)時(shí)間均較長。正向電磁力和負(fù)向電磁力的大小及持續(xù)時(shí)間長短，主要是由彈丸與驅(qū)動線圈間的相互位置所決定的，當(dāng)彈丸中心位于驅(qū)動線圈中心之前時(shí)，且驅(qū)動電流存在，電磁力表現(xiàn)為正向加速力;當(dāng)彈丸中心經(jīng)過驅(qū)動線圈中心時(shí)，若驅(qū)動線圈中仍有電流，就會對彈丸的運(yùn)動起阻礙作用，電磁力表現(xiàn)為負(fù)向減速力，這就是負(fù)向電磁力產(chǎn)生的原因。

圖7 觸發(fā)位置對彈丸速度的影響

圖7給出了三級磁阻型線圈發(fā)射器在3個(gè)不同觸發(fā)位置時(shí)所對應(yīng)的彈丸速度變化曲線。由圖可以看出，Z1=45 mm，Z2=110 mm時(shí)，經(jīng)過三級驅(qū)動線圈電磁力作用，彈丸速度呈現(xiàn)一直增加的趨勢;Z1=55 mm，Z2=120 mm時(shí)，在第1、2級驅(qū)動線圈電磁力作用下，彈丸速度呈現(xiàn)增加的趨勢，在第3級驅(qū)動線圈電磁力作用下，彈丸速度呈現(xiàn)先增大后減小最后穩(wěn)定的趨勢;Z1=75 mm，Z2=140 mm時(shí)，在第1級驅(qū)動線圈電磁力作用下，彈丸速度呈現(xiàn)不斷增加的趨勢，當(dāng)彈丸經(jīng)過第2、3級驅(qū)動線圈時(shí)，速度均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。經(jīng)過三級驅(qū)動線圈電磁力作用，當(dāng)Z1=55 mm，Z2=120 mm時(shí)，彈丸獲得最大的出口速度，最大出口速度為36.39 m/s。根據(jù)沖量原理，彈丸的速度增量主要是由彈丸所受到的整體電磁力大小及其作用時(shí)間所決定的。Z1=45 mm時(shí)，彈丸受到的電磁力基本為加速力，但是電磁力總體較小;Z1=75 mm，Z2=140 mm時(shí)，彈丸雖然受到較大的正向電磁力，但在第2、3級時(shí)受到了較大的負(fù)向減速力，故速度增量較小;Z1=55 mm，Z2=120 mm時(shí)，彈丸受到的正向電磁力總體較大，同時(shí)只在第3級出現(xiàn)較大的負(fù)向減速力，而正向電磁力的加速效果遠(yuǎn)大于負(fù)向減速力的減速效果，故彈丸獲得最大出口速度。

通過對三級磁阻型線圈發(fā)射器的工作過程仿真，得到圖8所示的能量轉(zhuǎn)換效率曲線。從圖中看出，能量轉(zhuǎn)換效率隨著Z值的增大，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當(dāng)Z1=57.73 mm，Z2=122.73 mm時(shí)，系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最大，最大值為4.94%。

3 結(jié)束語

文中重點(diǎn)對三級磁阻型線圈發(fā)射器的工作過程進(jìn)行了仿真研究。仿真分析得出，觸發(fā)位置對發(fā)射器驅(qū)動電流影響很小，而對電磁力的影響較大;本研究中，當(dāng)Z1=57.73 mm，Z2=122.73 mm時(shí)，發(fā)射器的彈丸出口速度達(dá)到最大，速度峰值為37.26 m/s，同時(shí)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最大，效率值為4.94%。仿真結(jié)果表明，在多級磁阻型線圈發(fā)射器加速彈丸的過程中，每一級驅(qū)動線圈都存在最佳的觸發(fā)位置，使得彈丸出口速度及能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最大;如何匹配各級線圈之間的觸發(fā)位置，是多級磁阻型線圈發(fā)射器設(shè)計(jì)及試驗(yàn)的關(guān)鍵;在發(fā)射器的實(shí)際設(shè)計(jì)與試驗(yàn)過程中，要從初級驅(qū)動線圈開始，逐級尋找每級驅(qū)動線圈對應(yīng)的彈丸最佳觸發(fā)位置，使各級的能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最大，從而實(shí)現(xiàn)多級磁阻型線圈發(fā)射器整體能量轉(zhuǎn)換效率的最大化。

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