电磁轨道炮简介及数值分析

电磁轨道炮导轨电磁场数值分析NumericalAnalysisofElectromagneticRailgun电磁轨道炮RailGun▪利用电磁发射技术制成的一种先进的动能杀伤武器。▪弹丸速度快▪2500~7000米/秒，普通枪弹速度的2至8倍▪精度高，体积小▪不使用推进剂，减少了装药量▪射程远，威力大▪电磁场的作用力的作用的时间长于火药弹丸主要内容▪矩形电枢与简单轨道模型的基础上分析其磁扩散方程▪在线电流模型下电枢的受力情况▪利用有限元分析软件Ansys-Maxwell3D进行了轨道电枢上的电磁场计算。电磁轨道炮的工作原理▪两条平行的长直导轨组成，导轨间放置一质量较小的滑块作为弹丸。▪当两轨接入电源时，强大的电流从一导轨流入，经滑块从另一导轨流回时，在两导轨平面间产生强磁场。▪通电流的滑块在安培力的作用下，以很大的速度射出。电磁轨道炮磁扩散模型麦克斯韦方程的安培定律𝛻×𝐻=𝐽+𝜕𝐷𝜕𝑡结合欧姆定律𝐽=𝜎(𝐸+𝑣×𝐵)忽略位移电流。得到磁扩散方程𝜕𝐻𝜕𝑡=1𝜎𝜇∇2𝐻+𝛻×（𝑣×𝐻）电磁轨道炮磁扩散模型采取电枢固定，导轨以恒定速度运动的方式，来考察导轨与电枢中的磁扩散情况。磁通密度分量Bz为自变量，导轨中的磁扩散方程为𝜕𝐵𝑧𝜕𝑡=1𝜎𝜇(𝜕2𝐵𝑧𝜕𝑥2+𝜕2𝐵𝑧𝜕𝑦2)+𝑣𝑥∙𝜕𝐵𝑧𝜕𝑥=0电枢中的扩散方程𝜕𝐵𝑧𝜕𝑡=1𝜎𝜇(𝜕2𝐵𝑧𝜕𝑥2+𝜕2𝐵𝑧𝜕𝑦2)=0线电流模型下电磁轨道炮电枢受力分析将电磁轨道炮的轨道等价成有限长的线电流元（为了方便，我们仅考虑y方向上的磁场强度）。由毕奥沙伐定律可知，单个导轨中：𝐻=14𝜋𝜌（sin𝛼2−sin𝛼1）𝑎𝑦𝐵=𝜇0𝐼4𝜋𝜌（sin𝛼2−sin𝛼1）𝑎𝑦线电流模型下电磁轨道炮电枢受力分析电枢在两根轨道中所受安培力可以写为𝑑𝐹=𝐼𝑑𝐿×𝐵积分可知所受到的力为𝐹=𝜇0𝐼2𝐿4𝜋1𝑧（sin𝛼2−sin𝛼1）+（sin𝛼4−sin𝛼3）𝛼𝑧𝑑−𝑧电磁轨道炮系统的数值模拟本文基于Ansys-Maxwell3D软件，对电磁轨道炮简化模型进行了数值模拟。为简化分析做出以下假设。1）铁磁物质均匀、各向同性,并忽略位移电流。2）忽略铁磁物质的磁滞效应和导体电导率、磁导率与温度的关系。3）忽略空气阻力，电流趋肤效应的影响。模型建立▪本次计算采用简化轨道炮模型参数设置参数导轨宽度（mm）导轨长度（mm）导轨高度（mm）导轨电流（kA）数值20402001材料电阻率（Ωm）相对磁导率导轨铜1.7╳10-80.9999计算域空气∞1计算结果收敛导轨横截面周围的磁场分布导轨内部电磁场分布导轨内侧电磁场能量分布谢谢聆听