基于集总参数模型的电磁轨道炮激励电流仿真

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2023.04.014

摘要/Abstract

摘要：

电磁轨道炮激励电流仿真是研究轨道炮系统性能的基础和核心，基于电磁轨道炮系统等效电路，对轨道炮的脉冲电源、轨道、电枢、电枢和轨道的滑动电接触等分系统分别建模，形成集总参数的电磁轨道炮数学模型。采用Dommel-EMTP算法，对电源中各脉冲形成单元电流和电压求解，进而得出系统的总激励电流、电枢运动的速度、位移等参数。与实测数据对比，激励电流和电枢炮口速度仿真结果相对误差均不超过4%，验证了模型的准确性，为轨道炮系统的进一步研究奠定基础。

关键词: 电磁轨道炮, 激励电流, 电枢速度, Dommel-EMTP算法, 仿真

Abstract:

Simulation research on triggering current is the kernel of electromagnetic railgun investigation， based on its equivalent electric circuit， the models of pulsed power， rail， armature， sliding electrical contact between armature and rail are established， and the electromagnetic railgun simulation model is established by integrating the component models together. By means of Dommel-EMTP（electromagnetic transient program）algorithm， the triggering current and voltage of every pulse forming unit are simulated， then the total discharging current， velocity and displacement of armature are solved. Compared with the tested date， the relative error of simulation results of total discharging current and armature muzzle velocity is less than 4% ， which indicates the effectiveness and accuracy of the model and provides basic method for further research on electromagnetic railgun.

Key words: electromagnetic railgun, triggering current, armature velocity, Dommel-EMTP algorithm, simulation

中图分类号:

TJ301

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图/表 10

图1 PFU单元等效电路图

Fig. 1 Equivalent circuit of PFU

图2 轨道炮电源系统等效电路图

Fig 2 Equivalent circuit of pulsed power

表1 轨道炮EMTP模型等效参数

Table 1 Equivalent parameters of the EMPT model of railgun

支路类型	$G e q$	$I h i s t o r y$
电感	1/ $2 L Δ t$	$1 · i n - 1$ + $Δ t 2 L · V n - 1$
电容	1/ $Δ t 2 C$	$- 1 · i n - 1$ - $2 C Δ t · V n - 1$
阻感支路	$Δ t 2 L 1 + Δ t R 2 L$	$1 - Δ t R 2 L 1 + Δ t R 2 L · i n - 1 + Δ t 2 L 1 + Δ t R 2 L · V n - 1$

表1 轨道炮EMTP模型等效参数

Table 1 Equivalent parameters of the EMPT model of railgun

支路类型	$G e q$	$I h i s t o r y$
电感	1/ $2 L Δ t$	$1 · i n - 1$ + $Δ t 2 L · V n - 1$
电容	1/ $Δ t 2 C$	$- 1 · i n - 1$ - $2 C Δ t · V n - 1$
阻感支路	$Δ t 2 L 1 + Δ t R 2 L$	$1 - Δ t R 2 L 1 + Δ t R 2 L · i n - 1 + Δ t 2 L 1 + Δ t R 2 L · V n - 1$

表2 轨道与电枢参数

Table 2 Parameters of rail and armature

项目	参数值
轨道尺寸/m	长4，高0.1，间距0.1
电感梯度/（μH·m^-1）	0.52
电枢尺寸/m	高0.1，宽0.1
材料磁导率/（μH·m^-1）	1.26
材料电阻率/（m·Ω）	1.7×10^-8
电阻率热效应参数/（m²Ω·A^-1）	3.6×10^-16
初始接触电阻常数	4.3
接触速度趋肤效应特征电阻/（Ω·（m·s^-1）^-1.5）	3×10^-9

表3 触发时刻及对应PFU数量

Table 3 Triggering time point and number of PFU

触发时刻/ms	PFU数量	触发时刻/ms	PFU数量
0.00	9	2.30	2
0.50	1	2.60	2
0.95	2	2.90	2
1.45	2	3.20	3
1.90	2	3.55	3

图3 轨道炮系统仿真电流和实测电流

Fig. 3 Simulation results of current and tested data

图4 各PFU单元的仿真电流

Fig. 4 Simulation results of current of PFU

图5 各PFU单元的电压

Fig. 5 Simulation results of voltage of PFU

图6 轨道炮系统等效电阻和电感

Fig. 6 Equivalent resistance and inductance

图7 轨道炮弹丸运动位移和速度

Fig. 7 Velocity and displacement of armature

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