作者 | Lickim仿真秀專欄作者

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導讀：電磁炮又稱軌道炮、磁道炮，是一種利用電磁感應產生的電磁能代替火焰爆炸產生的化學能推動彈藥以高速形式發射的裝置。其基本結構和工作原理并不難理解，即在兩條平行的金屬軌道間放置一個質量較小的滑塊作為彈丸，彈丸底部有一顆移動的引導電樞，當軌道接入電源后，強大的電流從一條軌道流入，經滑塊從另一軌道回流時，兩軌道平面間產生的強大磁場能將彈丸迅速彈出，而經過一層層線圈磁場的不停加速，彈丸的速度將會越來越快。

一、認識電磁炮

電磁軌道發射裝置作為一種新概念軍事發射技術，突破了傳統的利用化學能發射彈丸時的速度限制，其基本原理是借助電磁力做功,使裝置的電磁能轉化為發射彈丸的動能，它是利用電磁發射技術研制的一種具有先進動能殺傷性武器，其在軍事領域中有著巨大的應用潛力；傳統的火炮利用火藥產生的燃氣壓力推動彈丸運動，而電磁軌道發射裝置利用的是電磁裝置中電磁場的作用力，由于長時間作用彈丸進而提高了彈丸的射程和出口速度，并由于其未來的價值而得到世界各國軍事家的高度關注。

從上世紀80年代，電磁軌道發射裝置在未來武器發展計劃中所占的比例越來越大，被美國這樣的軍事大國也認為是2020年以后的主要軍事武器；電磁軌道發射技術的優點不僅是高效率、低污染，性能穩定及可控性能好，而且對于多級電磁發射裝置，可以將幾個彈丸同時發射，增強戰斗威力；不僅可發射克數量級重量的小彈丸，還可發射噸級重量的超級威力射彈，令射程、打擊威力和穿透力大大增強。

早在19世紀，英國偉大科學家法拉第發現位于磁場中的導線在通電時會受到洛倫茲力的作用，導線在磁場中作切割磁力線的運動時，導線上同時也會產生電流，這既是法拉第電磁感應定律，又是電磁發射裝置的基本原理。電磁發射裝置可以看做是一種比較特殊的電動機，它的轉子不是傳統的旋轉方式，而是作直線加速運動的彈丸。

查爾斯·惠斯通于1845年發明了世界第一臺磁阻直流電動機，它可以把金屬棒發射到20m遠的距離；最早提出用電磁推進方法制造電氣炮設想的是德國數學家柯比；第一個正式提出電磁發射概念并進行試驗的是挪威物理學教授伯克蘭，他于1901年獲得“電火炮”專利；1920年法國的福瓊·維萊普勒發表了《電氣火炮》文章，不久以后美國費城的電炮公司便研制出應用于火炮的電磁加速器。

二戰期間由于軍事求的刺激，德國、日本也開始了電磁炮的研制；德國漢斯萊研制的電磁發射裝置可將10g彈丸加速到1.2km/s的初速度。美國國會一致認為以后武器發展的前提是電能，成立了專門機構來協調軍隊、能源部及戰略防御倡議機構等一切分散進行的電磁發射裝置的研究工作。

我國電磁軌道炮最早被曝光于2016年，根據衛星圖像顯示，我國自主研制的電磁炮長達33.5米，并在當年進行了首次試射，25公斤的彈丸被發射到250公里外的預定區域，擊穿了厚達10米的混凝土標靶。

2018年，電磁炮甚至從陸地搬到了海軍072型936“海洋山”號坦克登陸艦作為試驗平臺，選用072型登陸艦進行測試，而不是909型891“畢昇”號武器試驗艦似乎有些奇怪，分析人士認為這是因為072型登陸艦其甲板下巨大的空間可以用來安裝發電機和其他相關設備。雖然這項試驗進度由于保密的原因不得而知，但不管怎么說中國已經初步累積了電磁炮上艦的經驗，亦對003型航母搭載電磁彈射系統（電磁彈射系統亦可視為低階電磁軌道炮）鋪平了道路。

美軍曾設想將電磁炮安裝在“朱姆沃爾特”級驅逐艦上，但計劃最終遭到了擱置，美軍認為，電磁炮只有在射速達到10發/分鐘才能有效的完成對地支援任務，而炮管壽命要達到1000發才符合經濟效益。但在2016年至2017年間幾次海上、陸地測試結果顯示，其射速只能達到5發/分鐘，而炮管平均壽命只有100小時，實用性不是一般的差，因此美軍只能將更多的經費投入到激光武器領域中。

二、電磁軌道炮的多物理場仿真

電磁軌道炮在發射過程中存在多個物理場，多個物理場共同作用較為復雜，對一種樞軌結構的電磁軌道炮分別從電磁場、溫度場及結構場三個物理場進行研究，Workbench將不同物理場模塊連接起來，實現多物理場的順序耦合，首先采用Maxwell 3D瞬態求解器對加載激勵的軌道、電樞進行仿真，計算其電流及磁場分布等，在電磁場中求解完成后將電流產生的焦耳熱導入溫度場中，在溫度場中求解完成后將熱應力與電磁場中電磁力的結果導入結構場中進行耦合求解，再分別對不同樞軌結構的軌道炮進行仿真分析。

本仿真采用ansys2023版本，需安裝ansys2023及ansys EM Suite2023（涉及到電磁部分）。整個操作在workbench平臺下完成。

通過任意三維軟件建模，模型尺寸如下。

整個電磁發射裝置由軌道、電樞組成，選擇銅合金作為軌道的材料，電樞選擇6061鋁合金。軌道作為大電流的載體不僅需要耐磨損耐燒蝕，還需要有良好的導電性，因此選用銅合金。

模型導入

網格劃分

激勵設置中，采用電流激勵。首先設置Winding，在Winding中導入外部電流曲線，給所建模型加激勵元（Excitation）。

電流激勵曲線

1.4ms電磁炮磁場強度云圖

1.4ms軌道電樞電流總體分布圖

1.4ms電樞電流分布云圖

電樞電磁力—時間變化圖

0.6ms電樞電磁力矢量圖

電磁場計算完成后，對瞬態溫度場進行設置，再將電磁場計算結果導入。

將Maxwell中的三維模型導入到瞬態熱分析模塊中進行求解。

模塊網格劃分圖

在計算電磁場時，軌道加載高脈沖電流后，軌道及電樞由于自身電阻會產生焦耳熱，將電磁場計算結果導入溫度場時，需在溫度場中導入這部分熱載荷即熱生成如圖所示。

導入的熱生成

0.6ms時軌道溫度分布

1.988ms電樞溫度分布

在Workbench中將計算完成的電磁場與溫度場的結果導入結構場中。

電磁力導入結果

溫度導入結果

通過電磁-熱-結構場的耦合計算，能夠得到電磁軌道炮部件的應力應變云圖。由云圖可得，應力場的分布與溫度場分布大致相同，電樞所受應力大于軌道，表明電樞在電磁力、熱應力及預壓力的共同作用下所受應力較大。電樞整體應力分布較為對稱，且最大值位于電樞喉部位置，電樞喉部位置最大應力值在0.2ms達到478.9MPa。

0.2ms電樞應力分布

軌道應變情況

電樞速度

電樞加速度

審核編輯：湯梓紅