摘 要：文章基于傳統(tǒng)軌道炮結(jié)構(gòu)，對電磁軌道發(fā)射結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，運用有限元模擬仿真對優(yōu)化結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了靜態(tài)電磁場與瞬態(tài)電磁場仿真分析。結(jié)果表明，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計后的軌道結(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。

　　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，軌道炮具有動能大、速度快、穿甲能力強(qiáng)、能源簡易等眾多突出優(yōu)勢。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)鍵性問題，如樞軌間超高速磨損帶來的燒蝕、刨削及轉(zhuǎn)捩，軌道炮連續(xù)發(fā)射后導(dǎo)軌的長壽命，導(dǎo)軌與電樞的材料及結(jié)構(gòu)優(yōu)化等眾多問題[3-4]。隨著軍事需求的不斷牽引，以及對軌道炮的關(guān)鍵性問題的研究，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)，通過電磁仿真對模型進(jìn)行了靜態(tài)及瞬態(tài)的電磁仿真分析，獲得了運動方向的電磁推力、電流密度分布及磁場分布等結(jié)果，并與兩軌道發(fā)射結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對比分析。

　　2 空間電磁場理論及軌道發(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為長直載流導(dǎo)線的磁場示意圖，根據(jù)畢奧-薩伐爾定律可知，對于長為l，電流為I的通電直導(dǎo)線來說，其周圍任意一點P的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小分布如表達(dá)式2所示，運動的帶電電樞在導(dǎo)軌電流激發(fā)的磁場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點到電流元的垂直距離;?茲1、?茲2分別為P點與通電直導(dǎo)線電流流向的夾角，■為電流密度矢量，?淄為電樞運動速度。

　　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，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)生的磁場力作用下，快速向炮膛出口方向移動。導(dǎo)軌相對方向電流方向相同。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

　　由軌道結(jié)構(gòu)方案可知，軌道為凸弧形軸對稱布置，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)計成近似圓形結(jié)構(gòu)，通過得到的電樞電流及磁感應(yīng)強(qiáng)度分布，再對其進(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。通過圖4中可以發(fā)現(xiàn)，電樞電流以最短路徑從高電勢流向低電勢。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，說明電流主要流經(jīng)軌道連線上，其他位置電流較少。同時從圖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，依次向上磁場逐漸減小，頂部磁場最弱，電樞底部中間位置的磁場強(qiáng)度也較小，這也證明電流選擇了最短路徑流向相鄰軌道。

　　為了更好地對電樞結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，在模型坐標(biāo)原點位置繪制了兩條垂直的Fieldline，F(xiàn)ieldline1為電樞運動方向，F(xiàn)ieldline1為與電樞運動方向垂直，兩條線的位置如圖1所示，圖6、圖7是Fieldline1對應(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，電樞運動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，這對于電樞的軸向結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化具有一定的參考。同時，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)度幾乎呈對稱分布，即已電樞中心軸線為原點畫圓，原點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，這也說明當(dāng)電流經(jīng)過電樞時，電流路徑采取最短就近原則，即電流從一軌道流入電樞時，電流即遵循最短路徑經(jīng)過電樞流向負(fù)極，由于模型為軸對稱四軌道模型，所以會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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