苑希超，向紅軍，呂慶敖，張 倩，劉 斌

(1.陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū) 彈藥工程系， 石家莊 050003; 2. 32150部隊， 河南 開封 475003)

隨著軍事技術(shù)迅速發(fā)展及新型彈藥的不斷出現(xiàn)，引信在彈藥系統(tǒng)中的作用越來越重要，它能否正常工作，直接關(guān)系到彈藥裝備能否安全可靠作用[1]。因此，需要開展引信試驗對其質(zhì)量狀況進行檢查，在眾多引信檢查方法中，引信發(fā)射環(huán)境動態(tài)模擬試驗由于其成本低、效果好、易于實施，得到越來越多的應(yīng)用。在引信發(fā)射環(huán)境動態(tài)模擬試驗中，主要模擬發(fā)射時的后坐力和離心力，現(xiàn)有的引信發(fā)射環(huán)境動態(tài)模擬試驗主要利用氣體炮及其改進試驗裝置來模擬后坐力，存在通用性和可控性差、操作復(fù)雜、不便有效模擬引信發(fā)射過程中所受環(huán)境力等[2]。國內(nèi)外相關(guān)研究機構(gòu)和專家學(xué)者從不同角度、采用不同方法進行了大量嘗試和研究，取得了一批有價值的研究成果。其中，電磁感應(yīng)線圈發(fā)射器由于采用圓筒形身管，結(jié)構(gòu)合理，且采用電磁力逐級加速的發(fā)射方式，可調(diào)性好，成為一種新的引信發(fā)射環(huán)境模擬的有效方式[3-6]。

當(dāng)前關(guān)于電磁線圈發(fā)射器的研究主要集中在提高電磁線圈炮彈藥發(fā)射初速和發(fā)射效率等方面[7-10]，而引信發(fā)射環(huán)境模擬試驗主要關(guān)注驅(qū)動器所能提供的過載特性與引信發(fā)射過程是否相符以及對過載的控制方面[11]。本文以基于電磁線圈發(fā)射器的引信后坐力環(huán)境模擬技術(shù)為背景，分析了電磁線圈驅(qū)動器推力波形特性并探索了電磁線圈發(fā)射器推力波形控制策略。

1 電磁線圈發(fā)射器基本原理

電磁感應(yīng)線圈發(fā)射器的工作原理如圖1。發(fā)射器系統(tǒng)主要由驅(qū)動電路、驅(qū)動線圈和電樞組成。驅(qū)動線圈固定在炮筒上，每一級驅(qū)動線圈通過導(dǎo)線和開關(guān)分別連接一組儲能電容器，為驅(qū)動線圈供電。觸發(fā)開關(guān)導(dǎo)通后，儲能電容器通過驅(qū)動線圈放電形成強脈沖磁場，電樞在這個強脈沖磁場的作用下產(chǎn)生感應(yīng)電流，電樞中的感應(yīng)電流與線圈產(chǎn)生的強脈沖磁場相互作用產(chǎn)生電磁力，推動彈丸加速。

圖1 電磁感應(yīng)線圈發(fā)射器工作原理圖

電磁線圈發(fā)射器的等效電路如圖2所示。

圖2 電磁直線驅(qū)動器等效電路

圖中，R0和L0分別是驅(qū)動回路的電阻和電感，R1和L1分別是驅(qū)動線圈電阻和電感值，R2和L2分別是電樞電感值，C為電容器電容值，D表示續(xù)流硅堆。

其等效電路方程可表示為：

(1)

(2)

式中：U0是電容器充電電壓；M12是電樞與驅(qū)動線圈之間的互感；i1和i2分別為驅(qū)動回路和電樞回路中的電流。

根據(jù)電磁線圈發(fā)射器的發(fā)射原理可知，電磁力可以看作是整個系統(tǒng)中能量的變化率，即系統(tǒng)總能量在運動方向的梯度[2]。t時刻系統(tǒng)的總能量可表示為：

(3)

忽略發(fā)射摩擦力和空氣阻力，t時刻電樞所受電磁推力可以表示為：

(4)

從式(4)可以看出，電磁力大小由放電電流idjip和互感梯度dMj/dx決定。電樞速度v對互感梯度dMj/dx產(chǎn)生直接影響，可將電磁力表示成時間t、放電電流idjip和電樞速度v的函數(shù)。

F=F(t,idj,ip,v)

(5)

2 推力波形特性分析

多級線圈發(fā)射器電樞受力由多個線圈產(chǎn)生的電磁力疊加而成。由式(5)可知，電磁線圈發(fā)射器推力受到時間t、電流idj、ip和電樞速度v的影響，而這些參數(shù)又會受到充電電壓、線圈結(jié)構(gòu)、電樞結(jié)構(gòu)、線圈間距、觸發(fā)位置等多個參數(shù)的影響。

以兩級電磁線圈發(fā)射器為例進行有限元仿真分析，由于系統(tǒng)為軸對稱結(jié)構(gòu)，因此，建立二分之一的二維模型進行仿真分析。如圖3所示，仿真模型由兩級驅(qū)動線圈1和2、電樞3、運動區(qū)域4、計算場域5組成。驅(qū)動線圈為銅質(zhì)，每級80匝，外半徑81 mm、內(nèi)半徑51 mm，厚30 mm，長60 mm，兩級線圈初始間距10 mm。電樞為鋁質(zhì)，外半徑50 mm，內(nèi)半徑30 mm，厚度20 mm，長度60 mm。

圖3 二維仿真模型

模型的外接電路如圖4所示，所采用的電容值為2 400 μF，充電電壓默認(rèn)為8 000 V，驅(qū)動線圈回路電阻設(shè)為200 mΩ。

圖4 驅(qū)動線圈外接電路

2.1 線圈間距對驅(qū)動力的影響

為保持推力波形連續(xù)，設(shè)置第二級線圈觸發(fā)位置為9 mm，進而得到此時的線圈間距，并分別對線圈間距為10～30 mm的情況進行仿真，仿真過程中，其它參數(shù)不變。得到的兩級線圈間距對驅(qū)動力的影響曲線如圖5所示。

圖5 兩級線圈間距對驅(qū)動力的影響曲線

結(jié)果表明，兩個峰值之間的距離隨著線圈間距的增大而增加，同時推力波動逐漸變大；但整體推力持續(xù)時間明顯增加。

2.2 觸發(fā)位置對驅(qū)動力的影響

綜合推力波形要求，設(shè)置線圈間距30 mm，進而得到初始觸發(fā)距離為-21 mm，其他條件不變的前提下，對不同觸發(fā)位置分別為為-24 mm、-21 mm、-18 mm和-15 mm的情況進行仿真，得到的推力曲線如圖6所示。

圖6 第二級線圈觸發(fā)位置時的推力曲線

結(jié)果表明，在此范圍內(nèi)，電磁推力隨著觸發(fā)位置絕對值的減小而逐漸減小，而持續(xù)時間雖然逐漸增加，但增加并不明顯，且會增加推力的波動，因此選擇觸發(fā)距離為-21 mm。

2.3 電壓對驅(qū)動力的影響

在已確定參數(shù)條件下，對第二級充電電壓7 000～1 000 V的4個級別電壓參數(shù)進行仿真，得到推力曲線如圖7所示。

從圖7給出的推力曲線可以看出，第二級線圈的電磁力隨著電壓的增加逐漸增大，但對總體推力持續(xù)時間影響不大。結(jié)合線圈長度對發(fā)射參數(shù)影響分析，可以推測，增加第二級驅(qū)動線圈長度，將會減緩能量的釋放速度，從而降低推力峰值，增加峰值持續(xù)時間。

圖7 第二級充電電壓時的推力曲線

2.4 線圈長度對驅(qū)動力的影響

在上節(jié)基礎(chǔ)上，選擇第二級充電電壓為10 kV，其他條件不變，適當(dāng)增加第二級線圈長度，分析其對推力波形的影響。得到推力曲線如圖8所示。

圖8 第二級觸發(fā)位置時的推力曲線

可以看出，第二級線圈的推力峰值隨著第二級驅(qū)動線圈長度的增加逐漸減小，而推力總體持續(xù)時間逐漸增大。因此，電源能量足夠的情況下，可以通過增加線圈長度，提升持續(xù)時間。

3 推力波形控制策略

根據(jù)以上分析，針對波形連續(xù)性要求，提出推力波形控制策略如下：

1) 首先對第一級發(fā)射器的電參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化，使得第一級線圈推力峰值出現(xiàn)時，電樞尾部盡可能離開第一級線圈，一般來說，采用短線圈。

2) 根據(jù)目標(biāo)推力曲線要求，利用第一級線圈的推力F1、速度v1和位移s1信息，確定第二級線圈的觸發(fā)時間t2，滿足F1(t2)不小于目標(biāo)推力曲線對模擬最大推力的要求，進而得到觸發(fā)位置為s1(t2)和觸發(fā)第二級線圈時電樞的速度為v1(t2)。

3) 根據(jù)已確定的觸發(fā)位置，初步采用與第一級線圈相同的電參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過優(yōu)化，確定兩級線圈之間的間距。

4) 在已確定參數(shù)的基礎(chǔ)上優(yōu)化第二級發(fā)射線圈的電容及其充電電壓，使其推力曲線滿足目標(biāo)曲線要求。

5) 通過優(yōu)化，確定第二級線圈長度。

6) 以此類推，可得到后續(xù)級發(fā)射參數(shù)。

4 驗證

為驗證控制策略的可行性，利用構(gòu)建的電磁直線驅(qū)動器，進行兩級同步感應(yīng)線圈發(fā)射試驗。試驗中，第一級線圈觸發(fā)位置為25 mm，第二級線圈觸發(fā)時間延遲0.5 ms，充電電壓為8 000 V，通過試驗得到試驗彈的加速度曲線如圖9。

圖9 兩級線圈加速度曲線

從圖中可以看出，兩級電磁直線驅(qū)動器實現(xiàn)了推力的連續(xù)，即電磁推力的連續(xù)，相比單級線圈發(fā)射器，電磁推力峰值持續(xù)時間明顯增加。

5 結(jié)論

1) 通過多級線圈發(fā)射器參數(shù)對推力波形特性的影響規(guī)律分析，可以看出線圈間距增大使得脈沖寬度增加，但也使推力的連續(xù)性降低；

2) 在能量足夠的情況下，可以通過同時增加充電電壓和線圈長度，使推力峰值滿足條件的前提下增加峰值持續(xù)時間。

3) 所提出的電磁線圈發(fā)射器推力控制策略，可有效控制體力波形。