电磁发射拦截系统电磁发射组件仿真研究

收稿日期: 2007208206; 修回日期: 2008204212 作者简介: 邓启斌 ( 1963- ) , 男, 副研究员、博土研究生, 主要从事电磁发射技术研究。E2mail: wcx _ 2008369@ 1631 com
第3期
邓启斌, 等: 电磁发射拦截 系统电磁发射组件仿真研究
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驱动线圈 1. 7e- 8
1. 0
绝缘材料 1. 0
基座 -
拦截弹 2. 8e- 8
1. 0
选择六面体网格对电 磁发射组件模型进行单 元剖分[ 9210] , 生成电磁发射组件的有限元网格模型 的单元总数为 229 234 个, 其中驱动线圈有限元模
型的单元数为 68 725 个。图 4 所示为电磁发射组
1. 2 电磁发射组件工作原理 电磁发射组件的工作原理如图 2 所示。从图 2
可看出, 驱动线圈的两端分别同高功率脉冲电容器 组、放电开关相连, 当放电开关闭合后, 电容器组、 放电开关和驱动线圈构成一个闭合回路, 回路中将 产生幅值很高的脉冲电流。该脉冲电流要在驱动 线圈周围建立脉冲强磁场, 变化的磁场能够在拦截 弹中产生感应电流, 该感应电流 与磁场相互作用,
2008 年 9 月
3 仿真结果分析
2. 2 电磁发射组件的有限元模型 根据电磁发射组件的实体模型, 对模型各部分
赋予的有关材料特性参数如表 1 所示。
表 1 拦截弹发射器及拦截弹材料 特性参数 Tab1 1 The mater ial par ameter of EML
性能
Q/ ( 8 # m) Lr / 1
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火炮发射 与控制学报 JOUR NAL OF GUN LAUNCH & CONT ROL
2008 年 9 月
电磁发射拦截系统电磁发射组件仿真研究
邓启斌1, 2 , 夏智勋1 , 王成学3 , 王慧锦3
( 11 国防科技大学, 湖南 长沙 410073; 21 63961 部队, 北京 100081; 31 海军航空工程学院, 山东 烟台 264001)
的电磁发射组件能够减小磁能损失 , 增大拦 截弹的受力; 磁性材料基座的结构参数对拦截弹的受 力也有影响,
故实用中应依据基座材料 的特性, 合理选择基座的截面尺寸。
关键词: 电气工程; 电磁发射; 驱动线圈; 拦截弹
中图分类号: TM 3031 1
பைடு நூலகம்
文献标志码: A
文章编号: 167326524 ( 2008) 0320090204
弹受力的影响, 只能通过数值计算方法来完成。
2 电磁发射组件的有限元仿真
用有限元分析软件编制参数 化的仿真程序, 建 立电磁发射组件的三维模型, 并对所建模型进行仿真。
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火炮发射 与控制学报
2. 1 电磁发射组件的实体模型 电磁发射组件的实体模型如图 3 所示, 具体情
况为: 驱动线圈横截面为 20 mm @4 mm 的矩形, 基 圆半径为 10 mm, 匝间距为 1. 5 mm, 线圈总匝数为 10, 材料为铜; 拦截弹为圆盘形, 高和半径分别为14 mm和 55 mm, 材料为铝合金; 绝缘材料为弹性浇注材料, 驱 动线圈与拦截弹之间绝缘材料的厚度为 2 mm。
dF ( t ) = I( t) dl @B( t) = I ( t ) @B( t) dl ( 1)
由电磁学的有关理论可知, 拦截弹内的感应电
流可看作是由 L1 、L2 、L3 + , + Ln ( n y ] ) 等无数个 环形闭合电流回路组成的, 故由式( 1) 可以推 出, t
时刻拦截弹所受的总电磁力 F ( t ) 为:
( 11 National University of Defense Technology, Changsha 410073, H unan, China; 21 63961 T roop, Beijing 100081, China
31 Naval Aeronautical Engineer ing I nstit ute, Yanta i 264001, Shandong, China)
电磁发射拦截技术是 在电磁发射技术基础上 衍化出的一种新型主动防护技术。它是重要目标 近程防御体系和主动电磁装甲的 核心技术。与传 统近程拦截技术相比, 电磁发射拦截技术具有防护 力强、能源简易、反应速度快及方向可控等优点, 在 军事领域有着良好的应用前景[ 1] 。
对电磁发射拦截系统而言, 拦截弹的发射初速 是一个重要的性能指标, 而拦截弹受力的大小是决 定拦截发射初速的重要因素。影响拦截弹发射初 速的因素很多, 除了电压( 电流) 和 载荷的大小外, 电磁发射组件( 包括驱动线圈、绝缘体、基座和拦截 弹 4 部分) 基座的材料特性和结构参数变化对拦截
摘 要: 电磁发射组件基座的 材料特性和结构参数变化会影 响拦截 弹的受 力, 进而影 响拦截 弹的发 射速
度。通过分析电磁发射组件的工作 原理, 推 导了拦截弹的受 力方程。编 制了有 限元分 析程序, 开 发了能 够描
述发射组件的三维实体模 型和有限元模型, 对电磁发射组件 进行了电 磁场仿 真。结果 表明, 基座 为磁性 材料
从图 6 可以看出, 当 基座为非磁性材料 时, 由 于驱动线圈、绝缘弹性体和基座均 为非磁性材料, 整个电磁发射组件的导磁性能与周围的空气相同, 驱动线圈产生的磁场穿过 绝缘体和基座后向周围 的空间扩散, 磁能的很大一部分散失在周围的空气 中, 拦截弹底部磁感应强度较小。
使拦截弹受 到很大的电磁力, 在电 磁力的作用下, 拦截弹瞬间飞离基座去撞击来袭弹丸[ 627] 。
驱动线圈的几何形状及与拦 截弹的相对位置 决定其间的电磁耦合, 从而影响驱动线圈的磁场分 布与拦截弹内的感应电流。为了提高发射效率, 将 驱动线圈设计为平面螺旋状线圈, 拦截弹设计为圆 盘状的非磁性金属实体, 并且这种金属是电的良导 体。驱动线圈与拦截弹同轴且外径相等。
Simulation of Electromagnetic Launcher in the Electromagnetic Launching Interception System
DENG Qi2bin1, 2 , XIA Zhi2xun1, WANG Cheng2xue3 , WANG H ui2jin3
Abstr act: In t he elect romagnet ic launcher ( EML) , bot h t he mat erial char act erist ic and t he st ruct ural pa2 r amet er of it s pedestal have influence on the elect romagnet ic force acting on the int erception project ile and then t he launching velocit y of t he projectile ar e also effect ed. In t his art icle, t he equat ion of t he elect ro2 magnet ic force acting on t he int ercept ion project ile is est ablished through analyzing t he wor king pr inciple of t he elect romagnet ic launcher. T hen finit e element analysis codes are progr ammed to describe the 3D solid model and finit e element model and t he electr omagnetic field of t he EML are simulat ed. T he result shows t hat when t he pedest al of EML is made up of magnet ic mat erial lost of magnet ic energy can be re2 duced and the elect romagnet ic force act ing on t he int erception project ile can be increased. At t he same time st ruct ural parameters of t he pedest al can also have effect on t he elect romagnet ic for ce. In pract ice sect ion dimension of t he pedest al should be chosen appropriately according t o it s mat erial charact erist ics. Key words: elect rical engineering; elect romagnet ic launch; drive coil; int ercept or
R R F ( t) = dF ( t) = I ( t) @B ( t) dl
L
L
( 2)
式中: L= L1 + L2 + L3 + , + Ln ( n y ] ) 。 由于驱动线圈的电流随时间不断变化, 线圈产生
的磁场在时间和空间上都是非均匀的, 拦截弹内的涡
流和拦截弹所受的电磁力分布也不均匀, 用解析的方 法难以定量分析基座材料变化和结构参数变化对拦截
件及驱动线圈的有限元网格模型。
3. 1 基座材料变化对拦截弹受力的影响 基座的相对磁导率不同, 电磁发射组件的磁场
分布和拦截弹的受力也不同。对基座相对磁导率 分别为 1、100、200、500、800、1 000、1 500、2 000、 2 500、3 000 等 10 种情况下电磁发射组件的磁场分 布和拦截弹的受力情况进行分析, 分析时基座的宽 度为 20 mm。峰值电流时刻电磁发射组件轴对称 面的磁力线分布情况如图 6 所示。
2. 3 加载与求解 仿真中对驱动线圈加载的电 流波形采用电容
器组放电试验中所测得的电流波形, 电流随时间变 化的波形如图 5 所示。由 于驱动线圈是截面为矩 形的块状导体, 所以加载方式采用 / 块导体法0。对 有限元网格模型的外边界设置磁力线平行条件, 即 矢量磁位 AZ= 0, 选用瞬态求解器求解。
弹的受力也有一定影响。为了选择合理的基座材 料特性参数和尺寸结构参数, 提高电磁发射组件的 发射效率, 笔者用数值计算方法对电磁发射组件进 行了仿真。
1 电磁发射拦截系统
1. 1 电磁发射拦截系统组成 电磁发射拦截系统( elect romagnet ic launching
int ercept ion syst em, EMLIS ) 的 组 成 如 图 1 所 示[ 2] 。从图 1 中可以看出, 电磁发射拦截系统主要 由探测系统、控制系统、电源( 脉冲容器组) 、开关和 电磁发射组 件( elect romagnet ic launcher, EML) 组 成。工作时, 由探测系统发现、跟 踪和识别来袭目 标, 并将所探测的来袭目标信息及时、准确地传递 给控制系统; 控制系统根据来袭目标的信息, 计算出 来袭目标的方位、速度和距离, 确定电磁发射组件的发 射时间、能量和方向, 准确地向电磁发射组件发出触发 信号, 使开关闭合, 及时准确地将拦截弹发射出去, 拦 截弹与来袭目标相碰撞, 将来袭目标摧毁或使其航迹 改变, 从而确保要防护的设施的安全[3- 5] 。
1. 3 拦截弹的受力方程
拦截弹在发射过程中所受电 磁力的大小取决
于拦截弹所在位置的磁感应强度矢量 B 和拦截弹
内的感应电流密度矢量 J 。在加载过程的某一时刻 t, 若在拦截弹中取任意一电流元 I ( t) dl, 该电流元
所在位置的磁感应强度矢量为 B( t) , 则 t 时刻该电 流元所受电磁力[ 8] dF ( t) 为: