电磁轨道炮接触热时空分布特性分析

电磁轨道炮接触热时空分布特性是进行电枢熔化抑制、轨道散热设计和热管理的重要依据。在建立电枢与轨道接触压力、接触电阻计算模型的基础上,建立了接触热时空分布的计算模型,对电磁轨道炮的接触热时空分布进行了仿真计算,并对其特性进行了分析。针对接触热在电枢运动初始阶段相对集中的问题,研究了电枢前级加速对接触热时空分布特性的影响。仿真分析结果表明:接触热主要来源于电流焦耳热,焦耳热功率曲线与驱动电流曲线具有较大相似性;大部分接触热在电枢运动初始阶段传导给轨道,这是引起此阶段轨道烧蚀的主要原因;电枢运动初始阶段单位长度轨道传导的接触热和发射过程中电枢的热积累随着电枢初速度的增大而减小。     

轨道炮速度趋肤效应的分析与仿真

 根据Maxwell方程推导出电磁场参数与速度之间的关系,建立了直角坐标下的电磁场和温度场扩散2维偏微分方程, 分析了固体电枢电磁轨道炮的速度趋肤效应。以矩形固体电枢为例,给出了边界条件和激励源函数。采用有限差分法对方程进行求解,并对数据进行了分析,得到轨道和电枢中磁感应强度、温度和电流密度的分布曲线。计算结果表明:电枢的运动使得电流密度集中在电枢和轨道交界面的尾部,使得该局部地区温度增加,进而引起电枢尾部的熔融与烧蚀。     

C型固体电枢3维有限元电磁发射计算

对轨道型固体电枢电磁发射的电磁过程进行了研究,建立了基于麦克斯韦准静态A-Φ场方程的3维静枢电磁发射数值模型。利用ANSYS有限元电磁模块结合发射装置的实测参数,对电枢在静枢模型下的电磁发射进行了模拟。计算结果表明:馈入相同电流加载波形时,流经C型电枢的电流密度、磁通量以及电磁发射过程中所受电磁力,在不同时刻的内部分布、峰值和大小均与文献计算结果相符。     

基于热传导原理电枢平均磨损率计算

在假设导轨为半无限长固体导体及电枢表面磨损主要是熔化磨损条件下,基于固体接触面导热原理,推导出电枢和导轨温度分布方程,提出了电枢平均磨损率计算方法。利用此方法分析了驱动电流、电枢和导轨材料匹配和接触面积参数对电枢平均磨损率影响。将平均磨损率计算结果与Stefani和Parker的实验结果进行对比,二者吻合较好,从而为建立电磁轨道炮磨损率与转捩之间的关系提供理论支持。     

分布储能式电磁轨道炮效率分析

分布储能式电磁轨道炮在长导轨发射中具备高发射效率优势,为实现分布储能式电磁轨道炮的恒流特点,建立可供发射器参数、结构设计参考的仿真模型尤为重要。针对口径为60 mm×80 mm的矩形轨道炮,根据电流波形的平稳性要求,沿导轨方向设置电流馈入点,诊断电枢位置并分时序触发各馈入点电源,以测试分布储能式电磁轨道炮的工作性能。在COMSOL三维磁场中建立矩形导轨-电枢模型,基于电流和磁场的多物理场耦合有限元分析得到磁场和电流的分布,并利用电磁场仿真结果实现电流趋肤效应下轨道电阻梯度计算。基于MATLAB SIMULINK平台对电容储能型脉冲功率电源模块建立电气电路;分析分布储能式电磁轨道炮非线性时变的动态特性并建立轨道及电枢阻抗模型,计算正向电磁力、滑动摩擦力构造电枢的运动方程,并使用信号电路建立电枢-导轨模块,通过Simulink测量模块连接两个隔离的网络,仿真计算得到导轨电流及电枢的出膛速度。设计了总储能为4.16 MJ的分布式储能轨道炮,结果显示,电容预充电压为10.8 kV时,导轨长为3 m的分布式电磁轨道炮可将1 kg的弹丸加速至1.4 km/s,与炮尾集中式电磁轨道炮相比,系统发射效率可提升约3%。     

铝合金刷电枢的电磁发射特性研究

电磁轨道发射过程中,电枢表面由于电流趋肤效应引起的电流集中会降低发射系统枢轨服役寿命。为抑制电流密度集中,实现电流分散,提出了一种新型铝合金刷电枢,并对其发射特性进行了研究。结果表明,在100~350 k A的发射试验中,刷电枢结构均保持完好。接触压力保持不变情况下,刷电枢的质量损失先随电流的增加而增大,到250 k A时达到峰值,随后呈逐渐减小的趋势。刷电枢质量损失与合金纤维直径有关,当其直径由0.1 mm提高到0.2mm时,质量损失减小。选择合适的初始接触压力能够有效降低电枢质量损失,不同纤维直径的刷电枢对应不同的最佳初始压力。微观形貌观察结果表明,铝纤维损伤主要形式为机械磨损和电弧烧蚀。     

管身对中口径电磁轨道炮的影响分析

以脉冲电流作为激励的电磁轨道炮无可避免地在不锈钢管身上感应出巨大涡流,涡流不仅自身损耗能量,而且削弱电枢的推进力,降低发射效率。为深入研究管身对电磁轨道炮的影响,结合场路模型计算了电磁轨道炮系统的发射效率和涡流能耗,讨论了不同管身结构和材料下的发射效率,进一步分析了管身对电磁轨道炮力学特性的影响。结果表明:基于10MJ脉冲电源的中口径电磁轨道炮,其不锈钢管身将大幅削弱系统的发射效率,管身涡流能耗比炮口动能的一半还多;采用层压式结构的高导磁材料作为管身,发射效率的提升尤为明显;管身对电枢轴向力的削弱是导致发射效率下降的根本原因,对电枢径向力的削弱则不利于电枢和轨道的良好接触,从而增加接触电阻,降低发射效率;但是对身管各部件径向力的减小有助于降低身管所需预紧力。     

电磁轨道炮刨削的形成机理及仿真分析

对电磁轨道炮发射过程中轨道表面的刨削现象进行了研究,根据其发射特点提出了微角度斜冲击引起的刨削形成机理,根据实际轨道炮的结构和载荷特点,应用LS-DYNA有限元软件在不同的参数条件下进行了数值仿真计算。计算表明,随着电枢前端倒角的增大轨道的刨削深度减小,电枢的质心位置后移也可以减小刨削深度,并且这些因素对刨削深度的影响并非是线性的。研究结果为进一步抑制轨道刨削现象的发生提供了依据。     

静止条件下轨道炮膛内磁场分布特性分析

为了分析轨道炮静止条件下膛内磁场分布特性, 建立了轨道炮二维计算模型, 基于磁扩散方程与安培定律, 得到导轨和电枢各区域电流密度值, 并通过毕奥-萨伐尔定律对轨道炮电枢前端各考察点磁通密度进行理论计算, 基于电磁感应法进行了膛内磁场测量实验, 实验测量值与理论计算值基本一致, 结果表明, 膛内磁场大小主要由流经电枢和导轨的的电流决定, 电枢前端中心轴线上各考察点, 随着与电枢前端面距离的增大, 磁通密度峰值呈衰减趋势, 但衰减速度逐渐变小。研究结果有助于轨道炮膛内强磁场屏蔽与智能弹药设计。     

电磁轨道炮瞬态温度场的数值模拟

为了研究电磁轨道炮的热生成机理及其温度分布特点,本文建立了三维瞬态电磁场和温度场的耦合计算模型,用有限元方法模拟了发射时身管和一体化发射单元温度分布的时空演化过程,以及发射后的身管散热过程,讨论了温度对射速的影响。数值模拟结果表明,发射过程中电枢产生熔化波效应,临近炮尾的轨道温升较大,在发射后的散热过程初期,轨道热传导起主要作用。通过该模型建立了身管结构、材料参数、电流激励条件与温度变化的关系,指明了炮尾轨道为热管理的关键部位,为电磁轨道炮的热设计提供了理论依据。     

枢轨界面电磁特性的演变规律分析

枢轨电接触性能随电枢膛内滑动而演变,界面电磁特性变化是其演变的根本作用因素。以系统时变电磁场计算为基础,从脉冲电流、电枢速度和局部接触等三个方面讨论了对界面电磁特性演变的作用规律,并设计实验综合验证了电枢膛内运动时枢轨电接触界面的电磁特性演变。结果表明:脉冲电流驱使电流向接触前端聚集,电流峰值聚集随电流变化而下降;电枢速度克服脉冲电流作用向接触尾部聚集电流,尾端聚集临界速度(50m/s)下,接触表面电流分布最为均匀,高速下接触表面呈现尾端U型电流聚集模式;局部接触对电流的聚集作用随接触面增加、速度增加而减弱;在法向磁力作用下,预置接触会向前扩展并趋于稳定。实验后枢轨表面检测验证了各因素对电磁特性演变的作用规律。研究结果为深入探究枢轨滑动电接触机理奠定基础。     

电磁轨道炮高速滑动接触电阻的定量表征

从描述电磁轨道炮炮口电压波形的场路模型出发,构建了电枢/轨道高速滑动接触电阻与轨道电流波形、炮口电压波形、电枢膛内速度曲线和轨道结构参数之间的关系,依据此关系可定量表征电磁轨道炮高速滑动接触电阻。实例计算表明,电枢/轨道高速滑动接触电阻的变化依赖于轨道电流变化,对应电流上升段、平顶段和电流下降段。在平顶段接触电阻最小约0.2mΩ,在电流上升段和电流下降段,接触电阻达3mΩ。     

电枢膛内高速运动控制仿真与试验

电磁轨道发射的过程中，电枢在膛内高速运动时会受到电磁力、电枢初始正压力、摩擦力、空气阻力、烧蚀阻力等多种因素影响，电枢的出口速度呈现出在一定范围内波动的特征。为了提高电枢的出口速度精度，针对膛内电枢与轨道摩擦不均衡性和烧蚀程度不确定的特性，综合考虑脉冲成形网络的电路模型与电枢的动力学特征，建立了电枢在膛内的运动开环控制仿真模型。通过仿真，得出了脉冲电源模块触发时刻与电枢出口速度之间的关系，提出了电枢出口速度闭环控制模型，探究了电枢出口速度控制可行方案。结果表明:应用闭环控制算法，可实现对电枢出口速度的精确控制。     

Railgun armature plasma-current density from deconvolvedB-dot probe signals

It is shown that the spatial distribution of the moving armature current profile in an electromagnetic railgun can be recovered from the recorded signal of a B-dot probe. This approach differs from previous methods in that no a priori assumptions for the functional form of the armature current density are required. From certain simplifying assumptions, a model of the railgun circuit is developed from which the B-dot probe signal can be derived as a convolution of the armature current density with an impulse-response function dependent on the physical parameters of the experimental configuration. Deconvolution of the resulting signal corrupted with measurement noise is performed using a parametric Wiener filter. Simulated and actual numerical examples show that the physical length and overall shape of the armature current profile can be accurately determined using this method. However, the spatial resolution in the deconvolved signal is limited to approximately 1 to 2 cm for practical railgun applications     

脉冲成形网络参数对轨道型电磁驱动系统效率的影响

针对分布馈电式(DES)轨道型电磁驱动系统,建立了基于PSpice的电路模型;采用最常见的电容储能方式构成脉冲成形网络(PFN);负载模型充分考虑电枢运动时的滑动摩擦,以及导轨电感、电阻等非线性因素。由仿真结果得到的电流值可以计算出电枢所承受的电磁力,从而得到电枢的加速度、速度,以及动能。分别选取不同电容器组的电容量或初始电压,脉冲成形电感器的电感量,主放电开关的闭合时间间隔,以及PFN模块参数(包括模块的数量、结构等),进行仿真分析,得出在各种参数下的系统效率,并加以比较,确定了几种可以有效提高轨道型电磁驱动系统效率的方法或者最优化的参数。仿真结果表明:在电枢质量与加速距离不变的条件下,电容器组的电容量或初始电压越高,电枢初速度越大,而系统效率随着电压的升高先增大后减小;脉冲成形电感器的电感量越大,电感器中的剩余能量越大,系统效率越低;主放电开关的闭合时间间隔越短,系统的效率越高;在初始能量一定的前提下,电源的模块数越多,电枢的出膛速度越大,系统效率也越高,可以通过采用多组小电容值的电容,来提高系统的效率;优化的PFN模块参数设计能够提高系统的效率。     

Structure and dynamics of the plasma armature of railgunmacroparticle accelerators

Results of the optical diagnostics of the plasma armature in railgun macroparticle accelerators are summarized. Determining the structure of the plasma armature and measuring its brightness and temperature at an initial stage of high-current discharge are the focus of attention. Experiments show that the plasma induced by the electric explosion of a copper foil undergoes complex variations that include plasma stratification. The plasma structure continuously changes, being of a complicated, irregular character. The lifetime of an individual stratum changes within 1 to 10 μs. In experiments on solid-body acceleration, the arc burns for a long time at the foil site, where a strong electrode erosion takes place. As the body passes through the railgun channel, the plasma armature continuously increases its length so that it gradually occupies the entire accelerator channel. the current is observed to redistribute itself from the front towards the end face of the plasma armature. The maximum brightness temperature measured in the experiments is 26000±2600 K. As is shown by the experiments, it is arguable that a magnetic-compressed discharge may be realized in a railgun solid-body accelerator with a plasma armature