摘 要：文章基于傳統軌道炮結構，對電磁軌道發射結構進行了優化改進，運用有限元模擬仿真對優化結構模型進行了靜態電磁場與瞬態電磁場仿真分析。結果表明，經過優化設計后的軌道結構相比于傳統軌道結構具有電磁推力大、電流分布均勻等優點。

　　關鍵詞：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，是電磁發射武器中的一種，也是目前電磁發射武器領域主要的研究類型，在軍事領域，其倍受青睞[1-2]。相比于傳統化學能武器，軌道炮具有動能大、速度快、穿甲能力強、能源簡易等眾多突出優勢。然而，隨著軌道炮研制的不斷發展，軌道炮也面臨著許多待解決的關鍵性問題，如樞軌間超高速磨損帶來的燒蝕、刨削及轉捩，軌道炮連續發射后導軌的長壽命，導軌與電樞的材料及結構優化等眾多問題[3-4]。隨著軍事需求的不斷牽引，以及對軌道炮的關鍵性問題的研究，眾多學者在軌道炮結構上進行不斷優化創新，目前已衍生發展出多種增強型軌道炮。

　　本文在雙凸弧形軌道結構的基礎上，提出一種四軌道電磁發射結構，通過電磁仿真對模型進行了靜態及瞬態的電磁仿真分析，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果，并與兩軌道發射結構進行了對比分析。

　　2 空間電磁場理論及軌道發射結構模型

　　2.1 空間電磁感應強度分析

　　由畢奧-薩伐爾(Biot-Sawart)給出的電流激發磁場分布的規律，見表達式1所示，真空磁導率?滋0為常數，為4?仔×10-7(Tm/A)，圖1為長直載流導線的磁場示意圖，根據畢奧-薩伐爾定律可知，對于長為l，電流為I的通電直導線來說，其周圍任意一點P的磁感應強度大小分布如表達式2所示，運動的帶電電樞在導軌電流激發的磁場中受到的電磁力作用，如表達式3所示。

　　其中，真空磁導率?滋0為常數，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 電磁軌道炮結構模型

　　圖2為在兩軌道發射結構的基礎上對軌道發射結構進行改進優化后的軌道發射結構模型。改進型四軌道炮模型為軸對稱結構，電樞的基本結構是基于U型電樞以及四軌道結構綜合改進設計，電樞與軌道的接觸面為圓弧形，軌道為類橢圓形軌道，四根導軌尺寸、材料完全相同，電樞在四根導軌通電后產生的磁場力作用下，快速向炮膛出口方向移動。導軌相對方向電流方向相同。如圖3所示，電流進入軌道后電流流向相鄰軌道，形成閉合回路。

　　2.3電樞設計

　　由軌道結構方案可知，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強度分布，首先將電樞設計成近似圓形結構，通過得到的電樞電流及磁感應強度分布，再對其進行結構優化，得到的電流密度分布及磁感應強度分布仿真結果分別如圖4、圖5所示。通過圖4中可以發現，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，電樞的磁感應強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構進行優化，在模型坐標原點位置繪制了兩條垂直的Fieldline，Fieldline1為電樞運動方向，Fieldline1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對應模型中電流與磁感應強度的局部放大效果，圖8、圖9是Fieldline2對應模型中電流與磁感應強度的局部放大效果。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強度在[0-40]范圍內保持較大值的水平，隨著距離的變化，電流密度及磁感應強度均逐漸減小，這對于電樞的軸向結構設計優化具有一定的參考。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強度變化曲線，其中大約在[0-55]與[145-200]的區間為軌道位置，[55-145]為電樞位置，通過圖中可以看到在[55-145]區間內的電流密度與磁感應強度幾乎呈對稱分布，即已電樞中心軸線為原點畫圓，原點處電力密度與磁感應強度值最小，隨著半徑的增大，電流密度與磁感應強度逐漸增加，這也說明當電流經過電樞時，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過電樞流向負極，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，從而此導致位置磁感應強度值最小。

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