多重连续脉冲磁行波电磁发射与多级重接炮研究

郭芳，唐跃进, 鲁军勇

（1. 广东省电力设计研究院，广州510663； 2. 华中科技大学，武汉430074；3. 海军工程大学，武汉 430033）

0 引言

近年来，由于高新技术的普遍应用，许多鲜为人知的新概念火炮随之诞生。其中，电磁炮因其性能奇特、威力巨大而成为新概念武器家族中的一个重要成员[1-3]。重接炮是一种较新的电磁炮，它结合了线圈炮和轨道炮的优点，受到人们的广泛关注[4-6]。多级重接炮其实是一种特殊的行波加速器，常用电容器组作为电源激励各级线圈产生磁行波[7-9]。而多重连续脉冲磁行波电磁发射则是采用交错式的线圈布局，配合一种新型的多级发射模式，在时间和空间上产生多重的连续脉冲磁行波，推动发射体加速运动。本文结合华中科技大学的前期研究成果，从工作原理和运行模式出发，分析了上述两种发射方式的磁行波形态，比较了相同轨道长度下，两种发射方式分别能得到的发射效果。结果显示，多重连续脉冲磁行波电磁发射由于其磁行波连续且重复产生，压缩了发射体的受力时间和加速距离，提高了发射效率，降低了发射轨道所需长度。

1 工作原理和工作模式

1.1 重接炮

重接炮实际上是一种发射固体实心发射体的感应型线圈式电磁发射器。图 1（a）所示是板状发射体的五级重接炮基本模型，发射体（实心导体）在上下两组线圈的缝隙中运动。当发射体的尾部处于线圈1的最佳初始发射位置时，线圈1和线圈1'通入激励，发射体受到电磁力沿X轴正方向运动。当发射体的尾部运动到线圈2的最佳初始发射位置时，线圈2和线圈2'通入激励。图1（b）和图1（c）分别是5级重接炮各级电源激励时刻及由此而产生的气隙磁场行波的示意图，其中 Ii（i=1～5）表示线圈i的激励电流，每级电源的激励时刻对应发射体处于该级线圈的最佳初始发射位置。在发射体速度较低时，发射体需要较长的时间才能运动到下一级线圈的最佳初始发射位置，因此，各级激励产生的磁行波是不连续的，各级之间相互影响较小，近似于多个单脉冲驱动简单累加的结果。这种工作模式导致低速下的重接炮存在两个弊端：第一，相邻两级电源激励间隔时间较长，发射体只在激励时刻受到推力[19]，驱动线圈长时间处于等待激励状态，不利于发射体的快速加速。第二，在激励电流的脉冲上升沿，发射体内的感应电流与磁场相互作用，受到推力；在激励电流的脉冲下降沿，发射体内感应电压反向，推力变为阻力，降低了发射速度和发射效率。

1.2 多重连续脉冲磁行波推进

针对重接炮的上述问题，华中科技大学超导中心提出了基于交错式线圈布局的多重连续脉冲磁行波推进[13]，其线圈布局结构如图2（a）所示，上下两组线圈错开一定的距离。由于发射体的长度覆盖了4个驱动线圈的区域，因此第一级发射采用线圈1至线圈4依次通入激励产生磁行波。当发射体的尾部处于线圈1的最佳初始发射位置时，线圈1通入激励，发射体受到电磁力沿X轴正方向运动。间隔t1时间，当线圈1中的激励电流仍在持续时，线圈2通入激励。t2时刻，线圈3通入激励，t4时刻，线圈 4通入激励，以此产生第一列磁行波，实现第一级驱动。

在0～t1时刻，只有线圈1中通有激励电流，线圈1提供磁场。在t1～t2时刻，线圈1和线圈2中都有激励电流，在两线圈的重叠区域，磁场增强。t2～ t3时刻，磁场增强的区域移动到线圈2和线圈3重合的区域；t3～ t4时刻，磁场增强的区域移动到线圈3和线圈4重合的区域。如图2（c）所示，可见驱动线圈在气隙中产生的磁行波在时间和空间上都是连续的。各线圈的激励电流在发射体内产生的磁场和涡流叠加，产生发射体的尾部随着磁场一起运动的效果，使得各线圈的激励不需与发射体的位置同步，大大缩短了各线圈激励的间隔时间。并且，在电流Ii的下降阶段，线圈i的中心轴右侧区域磁场较强。当Ii下降时，发射体内磁通减少。根据楞次定律，发射体将向磁通增加的方向运动。因此，连续磁行波推进方式使得发射体在激励电流的脉冲下降沿仍然受到推力，提高了发射效率。

多级发射是提高发射速度的有效途径。当发射体运动到线圈2的最佳初始发射位置，线圈2再次通入激励。当线圈2中的激励电流仍在持续时，线圈3再次通入激励，接着线圈4和线圈5依次通入激励，产生第二列磁行波，可实现第二级驱动。同样，当发射体运动到线圈3的最佳初始发射位置时，可加载第三级驱动，依此方式加载至更多级。图2（b）和图2（c）所示是4线圈驱动的2级连续磁行波推进全过程，各线圈的激励时刻及由此产生的气隙磁场行波示意图，其中 Ii（i=1～5）表示线圈i的激励电流。可见，相邻两级驱动重复使用多个驱动线圈，造成了磁行波的重叠，缩短了发射体在每级驱动中需要运动的位移，也因此缩短了相邻两级电源激励的时间间隔，将发射体的加速压缩在较短的时间和距离内完成。发射体越长，每级驱动使用的线圈数量越多，磁行波重叠次数越多，发射体被加速的次数越多，速度越高。

2 仿真分析

2.1 多重连续磁行波推进

根据图2（a）所示的结构，在ANSOFT软件中建立交错式线圈推进的有限元仿真模型，仿真中驱动线圈的结构参数是根据实验室现有的实验模型线圈设定的。线圈和发射体的具体结构参数见表1，发射体初始速度为0，重量为0.3 kg，轨道长度160 mm，每级发射需运动的位移为20 mm。

图3是激励电流的波形，相邻两线圈间的激励时间间隔为0.5 ms。五级发射全过程中发射体受到的推力运动速度的变化如图4所示。每级驱动下，发射体受到的推力均有6次上升，分别对应各激励电流的脉冲上升及下降时刻（其中第三个线圈的激励电流下降时刻，推力上升不明显）。每级驱动的加速时间约为3 ms。第一级驱动后，发射体的速度为1.72 m/s。经历33.7 ms，发射体飞出轨道，出口速度为8.51 m/s。定义发射装置的效率：

其中E表示发射体的动能，WP表示发射体内的涡流损耗，WR表示驱动线圈中的欧姆损耗。计算可得到一级发射效率为0.225%，五级发射效率为1.095%。

2.2 两级重接炮

根据图1（a）所示的结构，在ANSOFT软件中建立两级重接炮的有限元仿真模型。由于多重连续脉冲磁行波推进其发射体需覆盖多个驱动线圈的区域，驱动线圈较小，而重接炮中，可使驱动线圈的截面与发射体大小相当，以提高发射效率。因此，仿真中设定驱动线圈的长度和匝数是表 1所示数据的2倍，宽度和高度不变，发射体的结构参数不变，激励电流仍采用图3所示的脉冲电流，发射体每级需运动的位移为80 mm。图5所示是两级重接炮发射过程中发射体受到的推力和速度随时间的变化。两级驱动经历31 ms的时间，将发射体加速到5.51 m/s的速度，43.6 ms后发射体飞出轨道，一级发射的效率为 0.35%，两级发射效率为0.67%。

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3 比较分析

由图4和5可见，采用重接炮发射方式时，发射体受到的瞬时推力较大，但持续时间较短，且在每级激励的脉冲下降阶段受到阻力，经历先加速再减速，最后匀速运动（不考虑空气阻力）的过程，并且匀速运动的时间远大于加速时间；采用多重连续脉冲磁行波方式发射时，发射体受到的瞬时推力较小，但持续时间较长，无阻力。一级驱动下，重接炮的发射速度达到2.82 m/s，连续磁行波发射速度仅为1.72 m/s。整个发射过程中（160 mm 长的加速轨道），重接炮提供两次推力，多重连续磁行波推进提供5次推力，最终，多重连续脉冲磁行波推进以8.51 m/s的出口速度（重接炮为5.51 m/s）将发射体发射出去。

表2和表3分别列出了轨道长80 mm和160 mm时，重接炮和多重磁行波推进的详细比较结果。由于重接炮驱动线圈尺寸较大，载流能力较强，低速下，发射体受到的推力与激励电流的安匝数的平方近似呈正比关系，发射效率与发射速度的平方近似呈正比关系。因此，一级重接炮较一级连续磁行波推进有更好的发射效果。随着轨道长度和驱动线圈数量的增加，连续磁行波推进的发射级数和重叠数显著增加，提高了驱动线圈的利用率，连续磁行波推进的优势逐渐显露。图6给出了两种发射方式下轨道长度与发射速度的关系，其中L表示轨道的长度。轨道越长，多重连续磁行波推进的优势越明显。因此对于多级发射，相同的轨道长度下，多重连续磁行波推进可以得到更高的发射速度和效率；相同的出口速度要求下，多重连续磁行波推进可采用更短的驱动轨道，降低发射场地的长度要求。

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4 结论

与重接炮相比，基于交错式线圈布局的多重连续磁行波推进改变了磁行波的形态，产生了在时间和空间上连续的脉冲磁行波，增加了发射体的受力时间，并且将激励电流的下降沿提供的阻力变为推力。多重连续磁行波推进多次重复利用驱动线圈，增加了加速次数，提高了线圈利用率，将加速压缩在较短的时间和距离内。磁行波重数越多、级数越多，压缩的效果越明显，越能达到在短时间、短距离内将发射体加速到高速的目的。

以上分析只是理论上和仿真分析的结果，距离工程实现还有一定的距离。电流脉冲的产生、相邻脉冲间的衔接、以及高速下的检测和控制技术[20]等，还有待进一步的研究。

[1] P. R. Berning, C. R. Hummer. Magnetic induction launcher models [D]. Army Research Laboratory report, ARL-TR-1384, 1997.

[2] 马大为．弹道学研究内容特点和趋势的评述[J]．兵工学报，1993，14（1）：58-65．

[3] 王莹，肖峰．电炮原理[M]．北京：国防工业出版社，1995: 10-11．

[4] Weldon W F．A taxonomy of electromagnetic launchers[J]．IEEE Transactions on Magnetics，1989，25（1）：591-592．

[5] 李立毅，程树康，刘宝廷．直线电磁发射技术的发展现状及前景[J]．微电机，1999，32（2）：26-30．

[6] 孟金友．电磁炮的发展现状及其应用前景[J]．现代兵器，1995（5）：12-14．

[7] 李小鹏，李立毅，程树康等．重接式电磁发射技术的现状及应用前景[J]． 微电机，2002，35（4）：39-41．

[8] 王莹．行波电磁发射器[J]．电工电能新技术，1988（2）：28-36．

[9] Elliott D G．Traveling-wave synchronous coil gun[J]．IEEE Transactions on Magnetics，1991，27（1）：647-649．