摘 要：文章基于傳統(tǒng)軌道炮結(jié)構(gòu)，對(duì)電磁軌道發(fā)射結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，運(yùn)用有限元模擬仿真對(duì)優(yōu)化結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了靜態(tài)電磁場(chǎng)與瞬態(tài)電磁場(chǎng)仿真分析。結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的軌道結(jié)構(gòu)相比于傳統(tǒng)軌道結(jié)構(gòu)具有電磁推力大、電流分布均勻等優(yōu)點(diǎn)。

　　關(guān)鍵詞：電磁軌道;電磁推力;仿真分析

　　1 概述

　　電磁軌道炮簡(jiǎn)稱軌道炮，是電磁發(fā)射武器中的一種，也是目前電磁發(fā)射武器領(lǐng)域主要的研究類型，在軍事領(lǐng)域，其倍受青睞[1-2]。相比于傳統(tǒng)化學(xué)能武器，軌道炮具有動(dòng)能大、速度快、穿甲能力強(qiáng)、能源簡(jiǎn)易等眾多突出優(yōu)勢(shì)。然而，隨著軌道炮研制的不斷發(fā)展，軌道炮也面臨著許多待解決的關(guān)鍵性問(wèn)題，如樞軌間超高速磨損帶來(lái)的燒蝕、刨削及轉(zhuǎn)捩，軌道炮連續(xù)發(fā)射后導(dǎo)軌的長(zhǎng)壽命，導(dǎo)軌與電樞的材料及結(jié)構(gòu)優(yōu)化等眾多問(wèn)題[3-4]。隨著軍事需求的不斷牽引，以及對(duì)軌道炮的關(guān)鍵性問(wèn)題的研究，眾多學(xué)者在軌道炮結(jié)構(gòu)上進(jìn)行不斷優(yōu)化創(chuàng)新，目前已衍生發(fā)展出多種增強(qiáng)型軌道炮。

　　本文在雙凸弧形軌道結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出一種四軌道電磁發(fā)射結(jié)構(gòu)，通過(guò)電磁仿真對(duì)模型進(jìn)行了靜態(tài)及瞬態(tài)的電磁仿真分析，獲得了運(yùn)動(dòng)方向的電磁推力、電流密度分布及磁場(chǎng)分布等結(jié)果，并與兩軌道發(fā)射結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比分析。

　　2 空間電磁場(chǎng)理論及軌道發(fā)射結(jié)構(gòu)模型

　　2.1 空間電磁感應(yīng)強(qiáng)度分析

　　由畢奧-薩伐爾(Biot-Sawart)給出的電流激發(fā)磁場(chǎng)分布的規(guī)律，見表達(dá)式1所示，真空磁導(dǎo)率?滋0為常數(shù)，為4?仔×10-7(Tm/A)，圖1為長(zhǎng)直載流導(dǎo)線的磁場(chǎng)示意圖，根據(jù)畢奧-薩伐爾定律可知，對(duì)于長(zhǎng)為l，電流為I的通電直導(dǎo)線來(lái)說(shuō)，其周圍任意一點(diǎn)P的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小分布如表達(dá)式2所示，運(yùn)動(dòng)的帶電電樞在導(dǎo)軌電流激發(fā)的磁場(chǎng)中受到的電磁力作用，如表達(dá)式3所示。

　　其中，真空磁導(dǎo)率?滋0為常數(shù)，為4?仔×10-7(Tm/A);?籽為P點(diǎn)到電流元的垂直距離;?茲1、?茲2分別為P點(diǎn)與通電直導(dǎo)線電流流向的夾角，■為電流密度矢量，?淄為電樞運(yùn)動(dòng)速度。

　　2.2 電磁軌道炮結(jié)構(gòu)模型

　　圖2為在兩軌道發(fā)射結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上對(duì)軌道發(fā)射結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化后的軌道發(fā)射結(jié)構(gòu)模型。改進(jìn)型四軌道炮模型為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，電樞的基本結(jié)構(gòu)是基于U型電樞以及四軌道結(jié)構(gòu)綜合改進(jìn)設(shè)計(jì)，電樞與軌道的接觸面為圓弧形，軌道為類橢圓形軌道，四根導(dǎo)軌尺寸、材料完全相同，電樞在四根導(dǎo)軌通電后產(chǎn)生的磁場(chǎng)力作用下，快速向炮膛出口方向移動(dòng)。導(dǎo)軌相對(duì)方向電流方向相同。如圖3所示，電流進(jìn)入軌道后電流流向相鄰軌道，形成閉合回路。

　　2.3電樞設(shè)計(jì)

　　由軌道結(jié)構(gòu)方案可知，軌道為凸弧形軸對(duì)稱布置，則電樞需要與各軌道表面完全接觸，為了更清楚地了解弧形四軌道間電樞的電流與磁感應(yīng)強(qiáng)度分布，首先將電樞設(shè)計(jì)成近似圓形結(jié)構(gòu)，通過(guò)得到的電樞電流及磁感應(yīng)強(qiáng)度分布，再對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得到的電流密度分布及磁感應(yīng)強(qiáng)度分布仿真結(jié)果分別如圖4、圖5所示。通過(guò)圖4中可以發(fā)現(xiàn)，電樞電流以最短路徑從高電勢(shì)流向低電勢(shì)。圖4中電流密度矢量箭頭主要集中在相鄰軌道的連線上，在電樞的其他位置箭頭分布較少，說(shuō)明電流主要流經(jīng)軌道連線上，其他位置電流較少。同時(shí)從圖5中也可以看出，電樞的磁感應(yīng)強(qiáng)度主要分布電樞的底部，依次向上磁場(chǎng)逐漸減小，頂部磁場(chǎng)最弱，電樞底部中間位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度也較小，這也證明電流選擇了最短路徑流向相鄰軌道。

　　為了更好地對(duì)電樞結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，在模型坐標(biāo)原點(diǎn)位置繪制了兩條垂直的Fieldline，F(xiàn)ieldline1為電樞運(yùn)動(dòng)方向，F(xiàn)ieldline1為與電樞運(yùn)動(dòng)方向垂直，兩條線的位置如圖1所示，圖6、圖7是Fieldline1對(duì)應(yīng)模型中電流與磁感應(yīng)強(qiáng)度的局部放大效果，圖8、圖9是Fieldline2對(duì)應(yīng)模型中電流與磁感應(yīng)強(qiáng)度的局部放大效果。從圖6和圖7中可以看到，電樞運(yùn)動(dòng)方向的電流密度及磁感應(yīng)強(qiáng)度在[0-40]范圍內(nèi)保持較大值的水平，隨著距離的變化，電流密度及磁感應(yīng)強(qiáng)度均逐漸減小，這對(duì)于電樞的軸向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化具有一定的參考。同時(shí)，圖7、圖8為與電樞軸向垂直方向的電流密度與磁感應(yīng)強(qiáng)度變化曲線，其中大約在[0-55]與[145-200]的區(qū)間為軌道位置，[55-145]為電樞位置，通過(guò)圖中可以看到在[55-145]區(qū)間內(nèi)的電流密度與磁感應(yīng)強(qiáng)度幾乎呈對(duì)稱分布，即已電樞中心軸線為原點(diǎn)畫圓，原點(diǎn)處電力密度與磁感應(yīng)強(qiáng)度值最小，隨著半徑的增大，電流密度與磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸增加，這也說(shuō)明當(dāng)電流經(jīng)過(guò)電樞時(shí)，電流路徑采取最短就近原則，即電流從一軌道流入電樞時(shí)，電流即遵循最短路徑經(jīng)過(guò)電樞流向負(fù)極，由于模型為軸對(duì)稱四軌道模型，所以會(huì)造成與電樞軸向垂直的中心位置電流密度最小，從而此導(dǎo)致位置磁感應(yīng)強(qiáng)度值最小。

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