电磁轨道炮设计-基于模型的系统工程（20190819更新）

作者 Dirk Zwemer 原文链接： http://intercax.com/2018/07/19/mbse-for-railgun-design-part-1/

本文的目的是展示如何组合一些工具来协作设计一款新的武器系统——电磁轨道炮（electromagnetic railgun）。使用的技术和工具有：SysML架构建模(MagicDraw或Rhapsody)、基于物理的分析(Mathematica和Simulink)、机械CAD (NX)和需求管理(Jama)。这些工具由两个Intercax工具连接起来——MBSE平台Syndeia和参数解决方案ParaMagic (用于MagicDraw) 和Melody (用于Rhapsody)。

图 1 电磁轨道炮的简单物理原理

图1展示了电磁轨道炮最基本的形式。直流电脉冲的环路上包括两根导电的轨道和一个跨接在轨道上的可移动电枢。通过轨道的电流产生的磁场B和通过电枢的同一电流I交互产生了一个作用在电枢上的横向力F。如果电枢允许沿着轨道滑动，它就可以带着炮弹，把炮弹从轨道的一端发射向目标。

炮弹获得的出口速度(千米/秒)和动能(兆焦，MJ)可以达到或超过传统的大炮，而且没有传统爆炸推进物的成本和处置风险。已经有实验系统报告出口速度>3千米/秒，动能>30MJ。

轨道炮领域建模

图2 轨道炮领域，MagicDraw画的块定义图

图2展示了轨道炮领域的组成，包括：

• Platform（平台）,容纳轨道炮的SoS（系统的系统）。可以是车辆、陆地或舰船。通过特化BattleTank（战斗坦克）、LandMount和Ship表示，包含的部件类型为ControlStation（控制站）、ProjectileStorage（弹仓）和AC_PowerSource（交流电源）(轨道炮的一个前提是大功率电源，特别是开火间隔很短时)。

• Railgun，SOI（感兴趣的系统）。后面我们会建模SOI的内部结构。 • Users（用户），至少有轨道炮的Operator（操作员）和指挥使用的Platform Commander（平台指挥官）。注意，Operator的用例主要和对目标开火相关，Platform Commander的用例和维持和保护平台的存活相关。

图3 序列图

我们可以使用SysML的行为建模能力来捕获操作场景。图3是描述开火操作的序列图，通过控制站、轨道炮和弹仓之间的一系列事务达到。领域的所有部件在图2描述。轨道炮的一个特征是需要很短时间（几毫秒）内的大电流(兆安)。大电流由储能装置提供，例如电容。用持续的电源给电容慢慢充电，在开火时快速放电。这个充电-开火周期必须在操作场景中描述。

图4 状态机，轨道炮

同样的周期由Railgun块的状态机图捕获如图4。在系统被关闭之前，进入Discharging（放电中）状态。注意图4是SOI的行为，而图3是整个领域的行为。不过，它们通过图3中Railgun生命线上的状态不变量符号链接起来，展示了操作场景不同阶段的轨道炮状态。

图5 轨道炮输入，内部块图，MagicDraw绘制

最后，我们需要考虑轨道炮需要的输入。用SysML IBD (内部块图)在非常抽象的级别概括如图5。Railgun需要从Platform获得:

• 电力 (本例为AC)

• 操作指令(参见图3消息) • 导航信息 • 炮弹重装

图6 Jama需求和 SysML约束块。红线表示 Syndeia引用连接

我们在Jama中创建和管理主需求列表，但是我们要把它链接到其他用来验证需求的系统设计和分析模型。有许多方法，我们选择构造SysML中的约束块，来为某些性能需求提供直接的数学测试，并且创建Syndeia引用连接到Jama中的需求(图6)。

例如，图6中的Jama需求"炮弹能量应大于或等于5MJ"，连接到SysML条件约束, "verdict = if(actual < 5, 0,1)"，该约束返回两种结果：真实能量