枢轨接触面形貌对电枢起动特性的影响

在脉冲大电流直线驱动装置中,电枢和轨道的接触状态会改变电枢起动特性,而电枢起动过程将直接影响整个发射系统的效率和寿命,因此有必要对电枢起始阶段的滑动接触状态进行研究。搭建发射实验平台,通过高速相机观察电枢起动状态,并结合有限元软件ANSYS,对电枢的预紧力、初始接触状态以及电磁压力、电流密度进行仿真分析,研究电枢表面形貌对电枢起动的影响。结论表明:开槽电枢增加了电枢本身的柔顺性,使得预紧力增大,同时由于电流趋肤效应使得电流密度分布更加均匀,从而电磁压力增大,电枢起动变慢,接触电阻变小。实验和仿真结果对于改善电枢起动过程的接触状态,减轻烧蚀具有重要意义。     

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。     

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%。     

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。     

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。     

铜/金刚石复合材料电磁轨道烧蚀特性的实验研究北大核心CSCD

通过对电磁轨道发射初期阶段,铜/金刚石复合材料轨道在预紧力0.4-2.0kN、电流100-300kA下的滑动电烧蚀实验分析发现：由于受到焦耳热及电弧热的双重作用,铜/金刚石复合材料的质量损失、烧蚀深度随电流的增大而呈现增加趋势,随预紧力的增加而呈下降趋势;在主烧蚀区域形成凹凸不平的形貌,由于部分金刚石的脱落形成一定数量的微孔,在强交变温度场作用下产生了热应力裂纹;在烧蚀区域的边缘,主要由于熔融液态金属受强电磁场涡流的作用而形成微凸及飞溅形貌;在滑动电接触区域则表现为电枢微凸体与轨道之间摩擦形成的划痕,其磨损机制为磨粒磨损;在铜/金刚石复合材料主烧蚀区的横截面,由于轨道材料的长高比过大而造成散热速率的不同,形成不同尺度的晶粒组织,表面硬度下降较大。     

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。     

分流器形式炮口消弧装置的电路模拟优化与试验

针对轨道炮电枢出炮口时拉弧问题,提出了一种基于分流器形式的炮口电弧抑制方案。以固体电枢为研究对象,采用Simulink软件根据发射器与消弧装置的电气参数建立含有炮口消弧装置的发射系统仿真模型,目的是通过对消弧装置电气参数不同阻抗值的仿真计算,实现消弧装置电气参数与发射系统电气参数的最佳匹配,达到降低消弧支路对电枢出炮口速度的影响,同时有效地抑制炮口电弧。由于与消弧装置串联的电枢前方轨道阻抗在消弧支路阻抗中占比很大,通过消弧装置阻抗电阻、电感优化调整,实现电枢在膛内运动起始阶段,消弧支路的阻抗远大于电枢支路的阻抗,发射电流大部分都流过电枢,保证了电枢的加速运动。随着电枢向炮口方向运行,消弧支路阻抗快速减小,同时在磁通压缩作用下,消弧支路中电流快速增加,电枢支路电流减小,但由于电枢前后方磁场对其都是推进作用,电枢出炮口速度基本不受影响,保持较高的系统效率;电枢出炮口后,消弧支路的阻抗小于电弧的阻抗值,建立合理的电弧快速消引条件,消弧支路电流远大于电枢上电流,发射系统的剩余能量可通过消弧装置释放,降低炮口拉弧对发射性能的影响。经过消弧装置的电阻和电感多参数值的计算与分析,最后确定与文中发射系统匹配的消弧装置电阻约为1 mΩ,电感约为0.1 μH。结合发射装置结构,设计出的消弧装置电阻为1.32 mΩ,电感为0.124 μH,在搭建的发射系统仿真模型中对其进行了充电电压3 kV等级的发射仿真计算,在充电电压3 kV的发射能量等级下进行了消弧发射试验,仿真结果与试验结果具有较好的一致性,消弧效果良好。     

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。     

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。     

Scaling study for the performance of railgun armatures

A model is developed for investigating the performance of solid, plasma, hybrid, and transitioning armatures as a function of railgun geometry and gun operating conditions. The two figures of merit used in the calculation are the armature efficiency and the maximum velocity. Effects investigated include armature parasitic mass, armature resistance, friction, ablation drag, and, for the hybrid armature, gap growth. The model is applied to study how armature performance scales with projectile mass, or correspondingly bore dimension, and with gun current per unit rail height in the hypervelocity regime from 7 to 15 km/s. The model indicates that armature efficiency generally increases with projectile mass, whereas the maximum velocity for plasma and transitioning armatures is relatively insensitive to projectile mass. Calculations are also performed to determine the sensitivity of the model's predictions to uncertainty in key parameters, such as the ablation entrainment fraction, the skin friction coefficient, and the contact potential     

强流脉冲下重复滑动电接触界面的电热特性

固体电枢电磁轨道发射中,膛内枢轨滑动电接触的电热特性关系到滑动界面的接触状态、电流传导品质和界面能量耗散,制约着系统效率和轨道寿命。设计开展了多组不同电流线密度的多发重复试验,通过采集电气试验数据进行迭代计算,得到了滑动接触电阻和界面焦耳热耗散功率的动态变化规律,分析了沉积物随重复发射的演变及电流线密度对电热特性的影响规律,并结合试验后轨道表面熔蚀沉积检测,讨论了滑动电接触界面的演变过程。结果表明:接触电阻稳定临界点和焦耳热耗散功率峰值点都出现在脉冲电流下降沿,接触电阻稳定值量级为10-2 mΩ,焦耳热功率峰值幅值可达10-1 MW;炮口速度随重复次数的增加而降低并趋于稳定,多次重复发射对滑动接触电阻和焦耳热功率较小的影响表明沉积物在发射中再次熔融并对电接触起积极作用;而即使输入能量一致,电流线密度的变化也显著影响了界面焦耳热的生成。     

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。     

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。     

Application of network theory for the description of nanocluster distributions in ion track electronics

The recently developed ion track-based electronic structures of the TEMPOS type have often been filled up with (semi)conducting nanoclusters (NCs) to optimize their operation. Network theory is applied here for the first time to describe the distribution of the ion tracks and the NC, and of the current paths followed by the latter ones. The presence of ion tracks makes the NC distribution deviate from the purely random distribution. The theory is used to calculate the electrical surface currents around a given contact. A radius of influence (ROI) around such a contact can be defined, beyond which the surface currents become negligible. ROI depends on track density, NC density and on the working point of the electronic device.     

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。