来源：期刊VIP网所属分类：电力发布时间：2021-01-04浏览：次
摘 要：文章基于传统轨道炮结构，对电磁轨道发射结构进行了优化改进，运用有限元模拟仿真对优化结构模型进行了静态电磁场与瞬态电磁场仿真分析。结果表明，经过优化设计后的轨道结构相比于传统轨道结构具有电磁推力大、电流分布均匀等优点。
关键词：电磁轨道;电磁推力;仿真分析
1 概述
电磁轨道炮简称轨道炮，是电磁发射武器中的一种，也是目前电磁发射武器领域主要的研究类型，在军事领域，其倍受青睐[1-2]。相比于传统化学能武器，轨道炮具有动能大、速度快、穿甲能力强、能源简易等众多突出优势。然而，随着轨道炮研制的不断发展，轨道炮也面临着许多待解决的关键性问题，如枢轨间超高速磨损带来的烧蚀、刨削及转捩，轨道炮连续发射后导轨的长寿命，导轨与电枢的材料及结构优化等众多问题[3-4]。随着军事需求的不断牵引，以及对轨道炮的关键性问题的研究，众多学者在轨道炮结构上进行不断优化创新，目前已衍生发展出多种增强型轨道炮。
本文在双凸弧形轨道结构的基础上，提出一种四轨道电磁发射结构，通过电磁仿真对模型进行了静态及瞬态的电磁仿真分析，获得了运动方向的电磁推力、电流密度分布及磁场分布等结果，并与两轨道发射结构进行了对比分析。
2 空间电磁场理论及轨道发射结构模型
2.1 空间电磁感应强度分析
由毕奥-萨伐尔(Biot-Sawart)给出的电流激发磁场分布的规律，见表达式1所示，真空磁导率?滋0为常数，为4?仔×10-7(Tm/A)，图1为长直载流导线的磁场示意图，根据畢奥-萨伐尔定律可知，对于长为l，电流为I的通电直导线来说，其周围任意一点P的磁感应强度大小分布如表达式2所示，运动的带电电枢在导轨电流激发的磁场中受到的电磁力作用，如表达式3所示。
其中，真空磁导率?滋0为常数，为4?仔×10-7(Tm/A);?籽为P点到电流元的垂直距离;?兹1、?兹2分别为P点与通电直导线电流流向的夹角，■为电流密度矢量，?淄为电枢运动速度。
2.2 电磁轨道炮结构模型
图2为在两轨道发射结构的基础上对轨道发射结构进行改进优化后的轨道发射结构模型。改进型四轨道炮模型为轴对称结构，电枢的基本结构是基于U型电枢以及四轨道结构综合改进设计，电枢与轨道的接触面为圆弧形，轨道为类椭圆形轨道，四根导轨尺寸、材料完全相同，电枢在四根导轨通电后产生的磁场力作用下，快速向炮膛出口方向移动。导轨相对方向电流方向相同。如图3所示，电流进入轨道后电流流向相邻轨道，形成闭合回路。
2.3电枢设计
由轨道结构方案可知，轨道为凸弧形轴对称布置，则电枢需要与各轨道表面完全接触，为了更清楚地了解弧形四轨道间电枢的电流与磁感应强度分布，首先将电枢设计成近似圆形结构，通过得到的电枢电流及磁感应强度分布，再对其进行结构优化，得到的电流密度分布及磁感应强度分布仿真结果分别如图4、图5所示。通过图4中可以发现，电枢电流以最短路径从高电势流向低电势。图4中电流密度矢量箭头主要集中在相邻轨道的连线上，在电枢的其他位置箭头分布较少，说明电流主要流经轨道连线上，其他位置电流较少。同时从图5中也可以看出，电枢的磁感应强度主要分布电枢的底部，依次向上磁场逐渐减小，顶部磁场最弱，电枢底部中间位置的磁场强度也较小，这也证明电流选择了最短路径流向相邻轨道。
为了更好地对电枢结构进行优化，在模型坐标原点位置绘制了两条垂直的Fieldline，Fieldline1为电枢运动方向，Fieldline1为与电枢运动方向垂直，两条线的位置如图1所示，图6、图7是Fieldline1对应模型中电流与磁感应强度的局部放大效果，图8、图9是Fieldline2对应模型中电流与磁感应强度的局部放大效果。从图6和图7中可以看到，电枢运动方向的电流密度及磁感应强度在[0-40]范围内保持较大值的水平，随着距离的变化，电流密度及磁感应强度均逐渐减小，这对于电枢的轴向结构设计优化具有一定的参考。同时，图7、图8为与电枢轴向垂直方向的电流密度与磁感应强度变化曲线，其中大约在[0-55]与[145-200]的区间为轨道位置，[55-145]为电枢位置，通过图中可以看到在[55-145]区间内的电流密度与磁感应强度几乎呈对称分布，即已电枢中心轴线为原点画圆，原点处电力密度与磁感应强度值最小，随着半径的增大，电流密度与磁感应强度逐渐增加，这也说明当电流经过电枢时，电流路径采取最短就近原则，即电流从一轨道流入电枢时，电流即遵循最短路径经过电枢流向负极，由于模型为轴对称四轨道模型，所以会造成与电枢轴向垂直的中心位置电流密度最小，从而此导致位置磁感应强度值最小。
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文章名称： 基于Maxwell的电磁轨道炮结构优化仿真分析
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