电磁轨道炮C型固体电枢坡膛段的装填方式研究

 为了满足电磁轨道炮对电枢和轨道间初始接触压力的要求,以小口径电磁轨道炮C型固体电枢的坡膛段装填过程为研究对象,在力学分析的基础上,采用有限元计算方法,对匀速装填、冲击装填以及组合装填3种方式进行了计算,并对电枢臂头部、中间和尾端单元的径向变形、应力和剪切应力随时间的变化进行了对比分析。分析结果表明,在同等条件下,采用组合装填方式可以明显地降低固体电枢在装填过程中受剪切破坏的程度,并有效地提高初始接触压力。研究结果表明,组合装填方式有利于提高电磁轨道炮的发射效率。     

一种小口径电磁轨道发射用电枢设计

为了在低储能条件下研究电磁发射过程中的刨削现象,要对电枢进行优化设计,使其在小口径发射试验装置中实现高初速发射。通过计算、仿真,对电枢尺寸、初始预紧力等参数进行优化,并进行预紧力、塑性性能和接触面积等相关参数的测试和实验,最终确定电枢型号,在保持良好电接触的条件下实现了高初速发射。     

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。     

基于电流丝法的多级同步感应线圈炮电枢温升计算

针对同步感应线圈炮常用的导体圆筒式电枢,结合电流丝法,建立了电枢温升计算模型;通过搭建三级同步感应线圈炮试验平台,验证了计算模型的正确性,并分析了电枢材料和剖分设置对电枢温升计算的影响。结果表明:发射过程中电枢的最高温升位于其底部外侧,电枢前端也有较高温升;当调节载荷使铜、铝电枢等质量时,前者的温升虽然更高,但温升对其发射效率的影响却小于后者,这是因为铜的电阻率温度系数小于铝;电枢的剖分设置对电枢温升的计算的影响比较明显。因此从电枢温升对发射过程的影响来看,铜电枢比铝电枢更适合用于高速发射。     

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%。     

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。     

电磁发射枢轨界面初始接触状态研究

C型电枢通过尾翼弹性变形为电磁发射提供枢轨壁面初始接触力,初始接触状态对电磁轨道发射全过程的滑动界面状态起决定作用,影响系统效率和轨道寿命。通过建立接触模型进行模拟计算和设计多组对比试验,研究了C型电枢作用下初始接触状态。考虑材料的安全变形控制范围,在电枢头部尺寸的微小变动和尾翼的不同设计尺寸下,分析了接触压强、接触区域(面积)、接触力的变化规律。提出了控制接触状态的关键参量——压入比,接触区域随压入比的增大从电枢尾部向头部移动,最大接触面积约占总接触表面的50%。讨论了良好电接触要求下最佳接触状态及其工程实现方法。     

载流电枢与感应电枢电磁线圈发射器系统特性比较

电枢是电磁线圈发射器的关键能量转换部分,针对感应实体电枢、感应线圈电枢、串联载流线圈电枢和并联载流线圈电枢4种电磁发射器的发射原理和结构特点,推导了4种发射器的系统数学模型。根据等效电路方法,利用MATLAB建立仿真系统,对影响电磁线圈发射器系统特性的电枢尺寸、实体电枢材料、线圈电枢线径、电枢初始位置与初速度、多级发射器电枢位置序列等因素进行了仿真计算和比较分析。结果表明:感应电枢发射器在初级和末级驱动线圈电流下降阶段存在磁力拖拽效应,使得发射体速度在发射管出口处下降明显,而载流电枢发射器不存在拖拽效应;增大感应线圈电枢和串联载流线圈电枢线径,或减小并联载流线圈电枢线径,可以有效提高发射出口速度;载流电枢适用于低速较少级数发射系统。研究方法和结论对电磁发射器电枢结构选择和方案设计具有一定的指导意义。     

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。     

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。     

A deconvolution technique for B-dot signals from aplasma-driven electromagnetic launcher

A novel technique is being developed to quantify the current distribution in the plasma armature of an electromagnetic launcher (EML). The technique relies on data from B-dot probes inserted above the barrel of an EML. The current distribution is found by taking the fast Fourier transform of the integral of the B-dot signal and deconvolving it with a geometry-dependent weight function. The result allows calculation of the total plasma length and total current magnitude. The author describes the signal-analysis technique, discusses results obtained from theoretical B-dot signals, and suggests possible sources of error which may be encountered when deconvolving experimental B-dot signals     

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。     

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。     

线圈炮电枢电磁-热耦合仿真分析

 从麦克斯韦方程组和导热微分方程出发,导出了3维多级感应线圈炮电磁场、温度场分布的基本方程,并以电磁场和温度场有限元分析为基础,建立了3维有限元分析模型,忽略级间的相互影响,多级线圈炮中电枢温升可以等效为多个单级电枢的温升,运用通用有限元分析软件ANSYS的耦合计算流程,对单级感应线圈炮中电枢电磁场和温度场进行仿真。计算中考虑了材料物理参数随温度变化对温度场的影响。仿真结果表明：电枢内的温升主要分布在电枢的外表面和尾部;电枢的温度随着电容器组电压和电容增加而升高,这是因为总能量增大,电枢中涡流也增大,从而电枢的温度升高;电枢的触发位置和速度匹配关系,也会对电枢温升造成很大的影响;电枢的温度随着级数的增加逐渐升高,说明电枢在一定级数后达到了材料的熔点而被破坏。     

不同轨道结构下电枢电流分布特性

解决轨道和电枢的烧蚀问题是六极轨道电磁发射器走向实际应用的关键环节,引起轨道和电枢烧蚀的原因之一就是轨道和电枢中电流分布不均匀。利用有限元仿真软件Ansoft Maxwell对三种不同轨道进行仿真,得到了电枢表面电流密度分布情况以及电枢受力。结果表明:矩形轨道对应电枢表面电流密度最大值在三种轨道中最小,凸出半圆形轨道枢轨接触面电流分布最均匀,在发射过程中可以有效减少轨道和电枢的烧蚀,凹陷半圆形轨道对应的电枢受力最大,可用于大质量物体的发射。     

导弹四级磁场电枢轨道过盈配合参数优化

为了促进四级电磁轨道发射器在地空导弹武器发射中的应用,对四级电枢的过盈结构进行了研究。在有限元软件Ansys Workbench三维过盈装配仿真的基础上,选择最大等效应力、接触面积系数、接触压强均匀系数和相对接触压强系数四个表征接触特性的评价指标,采用正交试验的方法对四级电枢的过盈量、尾翼宽度、尾翼厚度和过盈长度4个过盈结构参数进行了综合优化。结果表明,采用过盈量2 mm、尾翼宽度140 mm、尾翼厚度40 mm、过盈长度270 mm的优水平组合能够使发射前期电枢和轨道间接触特性更理想,可为四级电枢结构设计提供参考。     

脉冲电流波形对固体电枢滑行性能的影响

利用一种小型脉冲功率系统的脉冲形成网络进行波形调制,得到了锯齿、凸顶和平顶脉冲电流波形,利用这三种脉冲电流开展了导轨型电磁驱动系统中的固体电枢滑行实验,通过测量电枢极限出口速度,比较了不同脉冲电流波形对固体电枢滑行性能的影响。结果表明:电流变化急剧的锯齿波形在较低的充放电能量下就会引起固体电枢与导轨界面接触失效,发生烧蚀现象,因而不利于固体电枢的滑行; 相同充放电能量条件下,凸顶波形比平顶波形得到的固体电枢出口测速高,即效率更好; 平顶波形可使固体电枢承受更高的充放电能量,且平顶波形比凸顶波形的极限出口测速高; 三者相比,平顶波形最有利于固体电枢与导轨良好接触,电枢的滑行性能表现得最好。     

Transient heating effects in electromagnetic launchers with complex geometries: A 3D hybrid FE/BE analysis

A time-stepping finite-element (FE) and boundary-element (BE) coupling method was implemented to include 3D transient eddy current under electromagnetic heating effects in electromagnetic launchers. Lagrangian formulations were used to model electromagnetic and thermal diffusive processes with moving conductors. The finite-element formulation was employed for the general diffusion equation in a bounded conductor region including rail and armature; while, in the exterior region, the boundary element method was developed for Laplace's equation. The coupled boundary was employed directly on the surface of conductors and no special treatment on boundary was required. The electromagnetic and temperature fields were coupled through iterative calculations. This method results in considerable time saving in modeling as it eliminates the surrounding air region.