电磁轨道炮的多物理场仿真设计

作者 | Lickim仿真秀专栏作者

首发 | 仿真秀App

导读：电磁炮又称轨道炮、磁道炮，是一种利用电磁感应产生的电磁能代替火焰爆炸产生的化学能推动弹药以高速形式发射的装置。其基本结构和工作原理并不难理解，即在两条平行的金属轨道间放置一个质量较小的滑块作为弹丸，弹丸底部有一颗移动的引导电枢，当轨道接入电源后，强大的电流从一条轨道流入，经滑块从另一轨道回流时，两轨道平面间产生的强大磁场能将弹丸迅速弹出，而经过一层层线圈磁场的不停加速，弹丸的速度将会越来越快。

一、认识电磁炮

电磁轨道发射装置作为一种新概念军事发射技术，突破了传统的利用化学能发射弹丸时的速度限制，其基本原理是借助电磁力做功,使装置的电磁能转化为发射弹丸的动能，它是利用电磁发射技术研制的一种具有先进动能杀伤性武器，其在军事领域中有着巨大的应用潜力；传统的火炮利用火药产生的燃气压力推动弹丸运动，而电磁轨道发射装置利用的是电磁装置中电磁场的作用力，由于长时间作用弹丸进而提高了弹丸的射程和出口速度，并由于其未来的价值而得到世界各国军事家的高度关注。

从上世纪80年代，电磁轨道发射装置在未来武器发展计划中所占的比例越来越大，被美国这样的军事大国也认为是2020年以后的主要军事武器；电磁轨道发射技术的优点不仅是高效率、低污染，性能稳定及可控性能好，而且对于多级电磁发射装置，可以将几个弹丸同时发射，增强战斗威力；不仅可发射克数量级重量的小弹丸，还可发射吨级重量的超级威力射弹，令射程、打击威力和穿透力大大增强。

早在19世纪，英国伟大科学家法拉第发现位于磁场中的导线在通电时会受到洛伦兹力的作用，导线在磁场中作切割磁力线的运动时，导线上同时也会产生电流，这既是法拉第电磁感应定律，又是电磁发射装置的基本原理。电磁发射装置可以看做是一种比较特殊的电动机，它的转子不是传统的旋转方式，而是作直线加速运动的弹丸。

查尔斯·惠斯通于1845年发明了世界第一台磁阻直流电动机，它可以把金属棒发射到20m远的距离；最早提出用电磁推进方法制造电气炮设想的是德国数学家柯比；第一个正式提出电磁发射概念并进行试验的是挪威物理学教授伯克兰，他于1901年获得“电火炮”专利；1920年法国的福琼·维莱普勒发表了《电气火炮》文章，不久以后美国费城的电炮公司便研制出应用于火炮的电磁加速器。

二战期间由于军事求的刺激，德国、日本也开始了电磁炮的研制；德国汉斯莱研制的电磁发射装置可将10g弹丸加速到1.2km/s的初速度。美国国会一致认为以后武器发展的前提是电能，成立了专门机构来协调军队、能源部及战略防御倡议机构等一切分散进行的电磁发射装置的研究工作。

我国电磁轨道炮最早被曝光于2016年，根据卫星图像显示，我国自主研制的电磁炮长达33.5米，并在当年进行了首次试射，25公斤的弹丸被发射到250公里外的预定区域，击穿了厚达10米的混凝土标靶。

2018年，电磁炮甚至从陆地搬到了海军072型936“海洋山”号坦克登陆舰作为试验平台，选用072型登陆舰进行测试，而不是909型891“毕昇”号武器试验舰似乎有些奇怪，分析人士认为这是因为072型登陆舰其甲板下巨大的空间可以用来安装发电机和其他相关设备。虽然这项试验进度由于保密的原因不得而知，但不管怎么说中国已经初步累积了电磁炮上舰的经验，亦对003型航母搭载电磁弹射系统（电磁弹射系统亦可视为低阶电磁轨道炮）铺平了道路。

美军曾设想将电磁炮安装在“朱姆沃尔特”级驱逐舰上，但计划最终遭到了搁置，美军认为，电磁炮只有在射速达到10发/分钟才能有效的完成对地支援任务，而炮管寿命要达到1000发才符合经济效益。但在2016年至2017年间几次海上、陆地测试结果显示，其射速只能达到5发/分钟，而炮管平均寿命只有100小时，实用性不是一般的差，因此美军只能将更多的经费投入到激光武器领域中。

二、电磁轨道炮的多物理场仿真

电磁轨道炮在发射过程中存在多个物理场，多个物理场共同作用较为复杂，对一种枢轨结构的电磁轨道炮分别从电磁场、温度场及结构场三个物理场进行研究，Workbench将不同物理场模块连接起来，实现多物理场的顺序耦合，首先采用Maxwell 3D瞬态求解器对加载激励的轨道、电枢进行仿真，计算其电流及磁场分布等，在电磁场中求解完成后将电流产生的焦耳热导入温度场中，在温度场中求解完成后将热应力与电磁场中电磁力的结果导入结构场中进行耦合求解，再分别对不同枢轨结构的轨道炮进行仿真分析。

本仿真采用ansys2023版本，需安装ansys2023及ansys EM Suite2023（涉及到电磁部分）。整个操作在workbench平台下完成。

通过任意三维软件建模，模型尺寸如下。

整个电磁发射装置由轨道、电枢组成，选择铜合金作为轨道的材料，电枢选择6061铝合金。轨道作为大电流的载体不仅需要耐磨损耐烧蚀，还需要有良好的导电性，因此选用铜合金。

模型导入

网格划分

激励设置中，采用电流激励。首先设置Winding，在Winding中导入外部电流曲线，给所建模型加激励元（Excitation）。

电流激励曲线

1.4ms电磁炮磁场强度云图

1.4ms轨道电枢电流总体分布图

1.4ms电枢电流分布云图

电枢电磁力—时间变化图

0.6ms电枢电磁力矢量图

电磁场计算完成后，对瞬态温度场进行设置，再将电磁场计算结果导入。

将Maxwell中的三维模型导入到瞬态热分析模块中进行求解。

模块网格划分图

在计算电磁场时，轨道加载高脉冲电流后，轨道及电枢由于自身电阻会产生焦耳热，将电磁场计算结果导入温度场时，需在温度场中导入这部分热载荷即热生成如图所示。

导入的热生成

0.6ms时轨道温度分布

1.988ms电枢温度分布

在Workbench中将计算完成的电磁场与温度场的结果导入结构场中。

电磁力导入结果

温度导入结果

通过电磁-热-结构场的耦合计算，能够得到电磁轨道炮部件的应力应变云图。由云图可得，应力场的分布与温度场分布大致相同，电枢所受应力大于轨道，表明电枢在电磁力、热应力及预压力的共同作用下所受应力较大。电枢整体应力分布较为对称，且最大值位于电枢喉部位置，电枢喉部位置最大应力值在0.2ms达到478.9MPa。

0.2ms电枢应力分布

轨道应变情况

电枢速度

电枢加速度

审核编辑：汤梓红